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9.5: Termopares

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    Un fenómeno interesante aplicado en el campo de la instrumentación es el efecto Seebeck, que es la producción de un pequeño voltaje a lo largo de un cable debido a una diferencia de temperatura a lo largo de ese cable. Este efecto se observa más fácilmente y se aplica con una unión de dos metales diferentes en contacto, produciendo cada metal un voltaje Seebeck diferente a lo largo de su longitud, lo que se traduce en un voltaje entre los dos extremos de cable (no unidos). La mayoría de cualquier par de metales diferentes producirán un voltaje medible cuando se calienta su unión, algunas combinaciones de metales producen más voltaje por grado de temperatura que otros:

    00192.png

    El efecto Seebeck es bastante lineal; es decir, el voltaje producido por una unión calentada de dos cables es directamente proporcional a la temperatura. Esto significa que la temperatura de la unión del cable metálico se puede determinar midiendo el voltaje producido. Así, el efecto Seebeck nos proporciona un método eléctrico de medición de temperatura.

    Cuando un par de metales diferentes se unen entre sí con el propósito de medir la temperatura, el dispositivo formado se llama termopar. Los termopares hechos para instrumentación utilizan metales de alta pureza para una relación precisa de temperatura/voltaje (lo más lineal y predecible posible).

    Los voltajes de Seebeck son bastante pequeños, en las decenas de milivoltios para la mayoría de los rangos de temperatura. Esto los hace algo difíciles de medir con precisión. Además, el hecho de que cualquier unión entre metales disímiles producirá voltaje dependiente de la temperatura crea un problema cuando intentamos conectar el termopar a un voltímetro, completando un circuito:

    00193.png

    La segunda unión hierro/cobre formada por la conexión entre el termopar y el medidor en el cable superior producirá un voltaje dependiente de la temperatura opuesto en polaridad al voltaje producido en la unión de medición. Esto significa que el voltaje entre los cables de cobre del voltímetro será una función de la diferencia de temperatura entre las dos uniones, y no de la temperatura solo en la unión de medición. Incluso para los tipos de termopares donde el cobre no es uno de los metales diferentes, la combinación de los dos metales que unen los cables de cobre del instrumento de medición forma una unión equivalente a la unión de medición:

    00194.png

    Esta segunda unión se denomina unión de referencia o fría, para distinguirla de la unión en el extremo de medición, y no hay forma de evitar tener una en un circuito de termopar. En algunas aplicaciones, se requiere una medición diferencial de temperatura entre dos puntos, y esta propiedad inherente de los termopares puede explotarse para hacer un sistema de medición muy simple.

    00195.png

    Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones la intención es medir la temperatura en un solo punto, y en estos casos la segunda unión se convierte en un pasivo para funcionar.

    La compensación de la tensión generada por la unión de referencia se realiza normalmente mediante un circuito especial diseñado para medir la temperatura allí y producir un voltaje correspondiente para contrarrestar los efectos de la unión de referencia. En este punto quizás te preguntes: “Si tenemos que recurrir a alguna otra forma de medición de temperatura solo para superar una idiosincrasia con los termopares, entonces ¿por qué molestarse en usar termopares para medir la temperatura en absoluto? ¿Por qué no solo usar esta otra forma de medición de temperatura, cualquiera que sea, para hacer el trabajo?” La respuesta es esta: porque las otras formas de medición de temperatura utilizadas para la compensación de uniones de referencia no son tan robustas o versátiles como una unión de termopar, sino que hacen bastante bien el trabajo de medir la temperatura ambiente en el sitio de unión de referencia. Por ejemplo, la unión de medición del termopar puede insertarse en el conducto de combustión de 1800 grados (F) de un horno de contención de fundición, mientras que la unión de referencia se encuentra a cien pies de distancia en un gabinete de metal a temperatura ambiente, teniendo su temperatura medida por un dispositivo que nunca podría sobrevivir al calor o a la corrosión atmósfera del horno.

    El voltaje producido por las uniones de termopar depende estrictamente de la temperatura. Cualquier corriente en un circuito de termopar es una función de la resistencia del circuito en oposición a este voltaje (I=E/R). Es decir, la relación entre temperatura y voltaje de Seebeck es fija, mientras que la relación entre temperatura y corriente es variable, dependiendo de la resistencia total del circuito. ¡Con conductores de termopar lo suficientemente pesados, se pueden generar corrientes superiores a cientos de amperios a partir de un solo par de uniones de termopar! (De hecho, he visto esto en un experimento de laboratorio, usando barras pesadas de cobre y aleación de cobre/níquel para formar las uniones y los conductores del circuito).

    Para fines de medición, el voltímetro utilizado en un circuito de termopar está diseñado para tener una resistencia muy alta para evitar caídas de voltaje inductoras de errores a lo largo del cable del termopar. El problema de la caída de voltaje a lo largo de la longitud del conductor es aún más severo aquí que con las señales de voltaje de CC discutidas anteriormente, porque aquí solo tenemos unos pocos milivoltios de voltaje producidos por la unión. Simplemente no podemos permitirnos tener ni un solo milivoltio de caída a lo largo de las longitudes del conductor sin incurrir en serios errores de medición de temperatura.

    Idealmente, entonces, la corriente en un circuito de termopar es cero. Los primeros instrumentos indicadores de termopar hicieron uso de circuitos de medición de voltaje potenciométrico de equilibrio nulo para medir el voltaje de unión. La primera línea de indicador/grabadores de temperatura “Speedomax” de Leeds & Northrup fueron un buen ejemplo de esta tecnología. Los instrumentos más modernos utilizan circuitos amplificadores semiconductores para permitir que la señal de voltaje del termopar active un dispositivo de indicación con poca o ninguna corriente consumida en el circuito.

    Los termopares, sin embargo, pueden construirse a partir de cables de calibre grueso para una baja resistencia y conectarse de tal manera que generen corrientes muy altas para fines distintos de la medición de temperatura. Uno de esos propósitos es la generación de energía eléctrica. Al conectar muchos termopares en serie, alternando temperaturas calientes/frías con cada unión, se puede construir un dispositivo llamado termopila para producir cantidades sustanciales de voltaje y corriente:

    00196.png

    Con los conjuntos de uniones izquierdo y derecho a la misma temperatura, la tensión en cada unión será igual y las polaridades opuestas cancelarían a una tensión final de cero. Sin embargo, si el conjunto izquierdo de uniones se calentara y el conjunto derecho se enfriara, el voltaje en cada unión izquierda sería mayor que en cada unión derecha, lo que daría como resultado un voltaje de salida total igual a la suma de todos los diferenciales de pares de uniones. En una termopila, así es exactamente como se configuran las cosas. Una fuente de calor (combustión, sustancia radiactiva fuerte, calor solar, etc.) se aplica a un conjunto de uniones, mientras que el otro conjunto está unido a un disipador de calor de algún tipo (refrigerado por aire o agua). Curiosamente, a medida que los electrones fluyen a través de un circuito de carga externo conectado a la termopila, la energía térmica se transfiere de las uniones calientes a las uniones frías, demostrando otro fenómeno termoeléctrico: el llamado Efecto Peltier (corriente eléctrica que transfiere energía térmica).

    Otra aplicación para termopares es en la medición de la temperatura promedio entre varias ubicaciones. La forma más fácil de hacerlo es conectar varios termopares en paralelo entre sí. La señal de milivoltios producida por cada termopar promediará en el punto de unión paralelo. Las diferencias de voltaje entre las uniones caen a lo largo de las resistencias de los cables del termopar:

    00197.png

    Desafortunadamente, sin embargo, el promedio preciso de estos potenciales de voltaje Seebeck depende de que las resistencias de cable de cada termopar sean iguales. Si los termopares están ubicados en diferentes lugares y sus cables se unen en paralelo en una sola ubicación, será poco probable que la misma longitud del cable. El termopar que tenga la mayor longitud de cable desde el punto de medición hasta el punto de conexión paralelo tenderá a tener la mayor resistencia y, por lo tanto, tendrá el menor efecto sobre el voltaje promedio producido.

    Para ayudar a compensar esto, se puede agregar resistencia adicional a cada una de las ramas del circuito de termopar paralelo para hacer sus respectivas resistencias más iguales. Sin resistencias de tamaño personalizado para cada rama (para hacer que las resistencias sean exactamente iguales entre todos los termopares), es aceptable simplemente instalar resistencias con valores iguales, significativamente mayores que las resistencias de los cables del termopar para que esas resistencias de cable tengan un impacto mucho menor en el resistencia total de la rama. Estas resistencias se denominan resistencias de pantano, porque sus valores relativamente altos eclipsan o “pantanan” las resistencias de los propios cables del termopar:

    00198.png

    Debido a que las uniones de termopar producen voltajes tan bajos, es imperativo que las conexiones de cable estén muy limpias y ajustadas para un funcionamiento preciso y confiable. Además, la ubicación de la unión de referencia (el lugar donde los cables de termopar de metal disimilar se unen al cobre estándar) debe mantenerse cerca del instrumento de medición, para garantizar que el instrumento pueda compensar con precisión la temperatura de unión de referencia. A pesar de estos requisitos aparentemente restrictivos, los termopares siguen siendo uno de los métodos más robustos y populares de medición de temperatura industrial en uso moderno.

    Revisar

    • El efecto Seebeck es la producción de un voltaje entre dos metales diferentes, unidos que es proporcional a la temperatura de esa unión.
    • En cualquier circuito de termopar, hay dos uniones equivalentes formadas entre metales diferentes. La unión colocada en el sitio de medición prevista se denomina unión de medición, mientras que la otra unión (única o equivalente) se denomina unión de referencia.
    • Dos uniones de termopar se pueden conectar en oposición entre sí para generar una señal de voltaje proporcional a la temperatura diferencial entre las dos uniones. Una colección de uniones así conectadas con el propósito de generar electricidad se llama termopila.
    • Cuando los electrones fluyen a través de las uniones de una termopila, la energía térmica se transfiere de un conjunto de uniones al otro. Esto se conoce como el Efecto Peltier.
    • Se pueden conectar múltiples uniones de termopar en paralelo entre sí para generar una señal de voltaje que representa la temperatura promedio entre las uniones. Las resistencias “Swamping” se pueden conectar en serie con cada termopar para ayudar a mantener la igualdad entre las uniones, por lo que el voltaje resultante será más representativo de una temperatura promedio real.
    • Es imperativo que la corriente en un circuito de termopar se mantenga lo más baja posible para una buena precisión de medición. Además, todas las conexiones de cable relacionadas deben estar limpias y apretadas. Meros milivoltios de caída en cualquier lugar del circuito causarán errores sustanciales de medición.

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