Termocuplas

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Seguramente ya se habrá oído de las termocuplas o termopar, ya sea en heladeras, termotanques, calefactores, hornos, etc. Pocos saben qué es y cómo trabajan dichos aparatos.

Estos elementos son los sensores de temperatura más comunes utilizados en la industria.

Una termocupla está formada por dos alambres de distinto material unidos en un extremo. Al aplicar temperatura en la unión de los metales, se genera un voltaje muy pequeño llamado efecto Scebeck; del orden de los mili-volts, el cual aumenta con la temperatura.

Una termocupla sencilla es la llamada “tipo J”, la cual está hecha de un alambre de hierro y otro de una aleación de cobre y nickel llamada constantán.

Al llevar la unión de la termocupla a unos 750 °C, aparece en los extremos 42,2 milivolts.

Esquema de termocupla "tipo J".

Generalmente, las termocuplas que se adquieren en el mercado, se consiguen encapsuladas dentro de un tubo llamado vaina; normalmente de acero inoxidable u otro material. En un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico con dos cables dentro de un recipiente esférico que sirve como protección.

El comportamiento del voltaje frente al cambio de temperatura no es lineal; la linealización se debe a un instrumento destinado a mostrar la lectura.

Existen varios tipos de termocuplas las cuales son:

• Tipo K (Cromel (aleación de Ni-Cr) / Alumel (aleación de Ni -Al)): con una amplia gama de aplicaciones, es barata y se presenta en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.
• Tipo E (Cromel / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.
• Tipo J (Hierro / Constantán): Su rango de utilización es de -270/+1200°C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800°C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550°C y por debajo de 0°C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.
• Tipo T (Cobre / Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.
• Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.), generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300° C).

• Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800°C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0°C y 42°C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50°C.
• Tipo E (Cromel / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.
• Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300°C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43° C).

Distintos tipos de termocuplas.

Estudios hechos sobre las termocuplas han hecho posible que se establezcan 3 leyes, las cuales son las siguientes:

1) Ley del circuito homogéneo: en un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

2) Ley de los metales intermedios: si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'.

3) Ley de las temperaturas sucesiva: La fuerza electromotriz (f.e.m.) generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Debido a estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0°C.