SUMARIO
1. Concepto de temperatura 1
1.1. Los puntos fijos de temperatura 3
1.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90 4
2. Sensores de temperatura 5
2.1. Termocuplas 6
2.2. Termopares estándar 7
2.3. Termopares no nobles 17
2.4. Termopares nobles 19
3. Compensación de junta de referencia 24
3.1. Cables compensados según normas IEC y DIN 26 3.2. Código de colores para cables Compensados y
de extensión 29
3.3. Conexión de las termocuplas 29
4. Construcción de las termocuplas 33
4.1. Construcción tipo compactada 34
4.2. Vainas y tubos de protección 38
4.3. Respuesta térmica 51
4.4. Efectos de la velocidad 53
4.5. Tubos de protección cerámicos 54
4.6. Respuesta dinámica de la temperatura
en los sensores en general 55
4.7. Medición de la respuesta dinámica 58
5. Termorresistencias 60
5.1. Sensores de termorresistencia estándar 60 5.2. Cálculo del valor de temperatura a partir
de su resistencia 62
5.3. Tolerancias 62
5.4. Clases adicionales o tolerancias extendidas 63
6. Construcción de los sensores de termorresistencia 63
6.1. Sensores de temperatura de platino - vidrio tipo PG 64 6.2. Termorresistencias para laboratorio 65
6.3. Sensores de temperatura de platino
- cerámica tipo PK 66
6.4. Sensores de temperatura de platino
en lámina flexible 67
6.5. Sensores de temperatura de platino -
película fina tipo PCA 67
6.6. Sensores de temperatura de platino -
película fina, de cuerpo cilíndrico tipo PCR 68
7. Comportamiento de las termorresistencias
a través del tiempo 69
8. Histéresis de termorresistencias 71
9. Errores en las termorresistencias 72
9.1. El efecto de los conductores 72 9.2. Resistencia de aislación insuficiente 73
9.3. Autocalentamiento 74
9.4. Tensiones termoeléctricas parásitas 75
9.5. resistencias térmicas 76
9.6. La función transferencia 77 9.7. Error por conducción de calor 78 9.8. Consejos para reducir el error por
conducción de calor 79 10. Calibración y certificación 81 10.1. Calibración 81 10.2. Servicios de calibración 82 10.3. Certificación 84 11. Conexión de termorresistencias 85
11.1. Circuito de dos hilos 85
11.2. Circuito de tres hilos 86
11.3. Circuito de cuatro hilos 86
11.4. Transmisores de 2 hilos 87
NOTAS
• Este trabajo ha sido preparado en base a material suministrado por el Ing. Rolando Navesnik, de Telemeter S.R.L.
MEDICION DE TEMPERATURA
MEDIANTE SENSORES DE
CONTACTO
1. Concepto de temperatura
Desde un punto de vista físico, calor es la medida de la energía contenida en un cuerpo debido al movimiento irregular de sus moléculas o átomos. Al igual que una pelota de tenis, que posee mayor energía cuando se incrementa su velocidad. La energía interna de un cuerpo o de un gas se incrementa cuando aumenta su temperatura. La temperatura es una variable que, junto con otros parámetros tales como la masa, calor específico, etc., describe la energía contenida en un cuerpo.
La medida básica de la medición de temperatura es el grado Kelvin. A cero grado Kelvin las moléculas de cualquier cuerpo están en reposo y no desarrollan ninguna energía térmica. Por eso no hay posibilidad de temperaturas negativas al cero grado Kelvin, ya que no puede haber un estado de menor energía.
En el uso cotidiano está más divulgado el uso de la escala Celsius (previamente centígrado ). Su cero esta posicionado en el punto de solidificación del agua, dado que este punto es muy fácil de reproducir en la práctica. Extendiendo la escala Celsius a la mínima temperatura posible, donde todo el movimiento molecular cesa, alcanzamos -273,15 °C. Esta temperatura Celsius equivale a 0 °K.
En países de habla germana las diferencias de temperatura se especifican usualmente en grados Kelvin. Por lo tanto la diferencia entre 60 °C y 35 °C es 25 °K. En otros países las diferencias de temperatura se miden en grados Celsius y, por lo tanto, debe aclararse en el contexto si el valor corresponde a una temperatura o a una diferencia de temperatura.
El hombre tuvo la habilidad de medir temperaturas a través de sus sentidos dentro de un rango limitado. Cuantificar la medición de temperatura no le fue posible; sin embargo, la primera forma cuanti-
tativa de medición de temperatura fue desarrollada en los comienzos del siglo XVII en Florencia. Dependía de la expansión de una columna de alcohol. La escala fue basada en la máxima temperatura del verano y la mínima del invierno. Cien años mas tarde, el astrónomo sueco Celsius reemplazó ésta por una escala basada en los puntos de ebullición y solidificación del agua. Esto ofreció la posibilidad de que el termómetro pudiera ser escalado, en cualquier momento, entre estos dos puntos, guardando cierta correlación si se usaba el material apropiado.
Una definición inequívoca de la temperatura fue conocida recién en el siglo XIX, a través de las leyes de la termodinámica. En principio esta temperatura puede ser determinada por cualquier método que derive de la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, despejando de la ecuación general de los gases P.V = n. R.T. donde:
P = Presión de un gas ideal V = Volumen de un gas ideal n = Número de moles
R = Constante molar del gas T = Temperatura absoluta en °K
Esta reproduce la relación directa entre la presión, el volumen y la temperatura de un gas ideal. Por lo tanto, la temperatura puede ser determinada midiendo la presión del gas. Este método no requiere materiales característicos y factores de conversión tales como coeficiente de dilatación, definición de longitud, etc. Este es el caso de los termómetros a mercurio.
En los institutos de metrología la temperatura es determinada generalmente con estos tipos de termómetros de gas. El método es extremadamente complejo y dificultó un acuerdo, el que fue alcanzado recién en 1927 cuando se creó la escala práctica de temperaturas, la cual reproduce la escala de temperatura termodinámica tan precisa como era posible.
La escala practica de temperatura usualmente refiere a un instrumento de medición en particular o a las propiedades de un material especifico. La ventaja de tal definición es una buena repeti-bilidad con comparativamente un menor esfuerzo técnico.
1.1. Los puntos fijos de temperatura
Los materiales exhiben diferentes estados, éstos pueden ser líquidos, sólidos o gaseosos. La temperatura determina el estado, la así llamada fase, en la cual el material está en un momento determi-nado. A determinadas temperaturas pueden existir simultáneamente dos o tres fases, por ejemplo, cubos de hielo en agua a 0 °C. En el agua también pueden, a una temperatura determinada, convivir sus tres fases. El así llamado triple punto de temperatura se alcanza con 0,01 °C en el caso del agua. En la mayoría de las otras sustancias solamente dos fases pueden existir simultáneamente.
Otros puntos fijos son la solidificación de los metales puros. Si un metal fundido es enfriado, el metal comienza a solidificar a una cierta temperatura, la conversión de líquido a sólido no transcurre repentinamente, la temperatura permanece constante hasta que el metal haya solidificado. A esta temperatura se la conoce como temperatura de solidificación. Su valor depende únicamente del grado de pureza del metal, de manera que este método permite en forma simple y con gran exactitud reproducir ciertas temperaturas.
Figura 1: Curva de solidificacion
1.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90
Las temperaturas correspondientes a los puntos fijos son determinadas con termómetros de gas o con otros elementos de medición que puedan ser usados para medir temperaturas termodinámicas. Numerosas mediciones comparativas en laboratorios oficiales, tales como el Bureau of Standards (USA), National Phisycal Laboratory (UK) o Physikalisch- Technische Bundesanstalt (Germany), fueron desarrollando regulaciones nacionales e internacionales.
El equipamiento tan complejo que se necesitó no es apropiado para mediciones industriales, y ciertos puntos fijos debieron ser acordados internacionalmente como valores primarios. Valores intermedios de la escala de temperatura fueron definidos por elementos de interpolación.
Estos son instrumentos que permiten mediciones, no sólo a temperaturas tales como la de solidificación o el triple punto mencionado más arriba, sino también de temperaturas intermedias. El ejemplo más simple de un instrumento de interpolación es el termómetro de mercurio.
Hasta fines de 1989 el estándar reconocido fue: la escala practica internacional de temperaturas de 1968, o IPTS - 68. Desde
Tabla 1.2. - Puntos fijos definidos por la ITS - 90 y diferencias respecto a IPTS - 68.
Punto Fijo
(°C)
Material Desviación
de
la
IPTS - 68 (°C)
-218.7916 oxígeno
-0.0026
-189.3442
argón
0.0078
-38.8344
mercurio
0.0016
0.01
agua
0.0000
29.7646
galio
0.0054
156.5985
indio
0.0355
231.928
estaño
0.0401
419.527
zinc
0.0530
660.323
aluminio
0.1370
961.78 plata
0.1500
41990 ha comenzado a regir una nueva escala, la escala internacional de temperatura ITS - 90.
La nueva escala fue necesaria dadas las numerosas mediciones en diferentes laboratorios a través del mundo, que demostraron inexactitudes en las determinaciones previas de los puntos fijos de temperatura. La tabla que sigue reproduce los puntos fijos definidos de la ITS - 90 y sus diferencias con la IPTS - 68.
El termómetro que permite la interpolación dentro del rango de -259 a 961 °C es la termorresistencia de platino. La ITS -90 específica bajo qué requerimientos de pureza de material se debe ensayar y medir, de manera de no alterar las características de este termómetro. Además esta termorresistencia deberá ser calibrada a determinados puntos fijos.
2. Sensores de temperatura
Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad, con frecuencia, incluye la medición de temperaturas.
Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea, tal como se muestra en la Tabla 2. El ingeniero debe decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.
Tabla 2. - Hay una gran variedad de métodos para la medición de la temperatura.
DISPOSITIVOS DE MEDICION DE TEMPERATURA
Eléctricos Termocuplas, Termorresistencias, Termistores, Resistores de carbono, Diodos, Transistores Cristales de cuarzo. Mecánicos Sistemas de dilatación, Termómetros de vidrio con líquidos,
Termómetros bimetálicos. Radiación
Térmica Pirómetros de radiación: Total (banda ancha), Banda de radiación, Espectral o radiación parcial, Fibra óptica. Varios Indicadores de color: Lápices, Pinturas • Indicadores
pirométricos • Cristales líquidos • Indicadores de luminiscencia (termografía)
Tabla 2.1. - Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de medición.
Sistema Rango en °C
Termocuplas - 200 a 2.800
Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos) - 195 a 750
Termorresistencias - 250 a 850
Termistores - 195 a 450
Pirómetros de radiación - 40 a 3.000
A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimiento de manteni-miento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en la industria de proceso termocuplas, termorresistencias, termistores, sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos.
En la Tabla 2.1. se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no represen-tan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles, por lo general, en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.
2.1. Termocuplas
Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones (termopar o termoelementos).
Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores (termoelementos) salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia. Se produce entonces una fuerza etectromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (figura 2).
2.2. Termopares estándar
Hay siete tipos de termopares que tienen designaciones con letras elaboradas por la Instrument Society of American (ISA). El U.S. National Bureau of Standards (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperaturas -fem para estos termopares, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y la American Society for Testing and Materials (ASTM).
En el año 1986, se procedió a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y fem, así como en lo que hace a las tolerancias de estas fem en las distintas aleaciones. Esto ha quedado homologado en la norma IEC 584 (International Electrotechnical Commission).
Estos siete termopares se enumeran en la Tabla 2.2.1. Los alcances de temperatura indicados son los valores máximos y mínimos en valores de fem que se encuentran publicados. La figura 2.2. muestra las relaciones temperatura - fem de los termopares. En la Tabla 2.2.2. se detallan las tolerancias de calibración estándar según IEC 584 Parte 1, actualmente en vigencia.
7
Figura 2 : Esquema de una termocupla y su sistema de medición 1. Junta de medición 2. Junta de conexión 3. Cable compensado 4. Junta de referencia 7
Tabla 2.2.1. - Temperaturas limites de acuerdo a las clases de termopares segun IEC 584 - 2.
Clase
Tipo 1 2 3
T desde - 40 °C hasta + 350 °C desde -200 °C hasta + 40 °C
E desde - 40 °C hasta + 800 °C desde - 40 °C hasta + 900 °C desde -200 °C hasta + 40 °C
desde - 40 °C hasta + 750°C ---
K desde - 40 °C hasta + 1000 °C
I
desde - 40 °C hasta + 1200 °C desde -200 °C hasta + 40 °CR S desde 0 °C hasta + 1600 °C --- --- B --- desde + 600 °C hasta + 1700 °C 8 Figura 2.1. : Escala termoeléctrica. Variación termoeléctrica promedio ∆E / ∆T para una diferencia de temperatura entre 0 y 100 °C de un termoelemento contra platino
Tabla 2.2.2. - Tolerancias limites para termopares estándar (referencia junta fría 0 °C) según IEC 584 Parte 1.
(1) La desviación máxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones : el valor en °C o su equivalente calculado reemplazado (t) por la temperatura en cuestión.
(2)Normalmente, los termopares y los cables compensados se suministran con las tolerancias especificadas por encima de - 40°C. Para termopares utilizados por debajo de -40 °C, debe entenderse que sus tolerancias son, para ese material, mayores que las especificadas en clase 3. Si se precisa que respeten las tolerancias según clase 1, 2 y/ó 3 debe comunicarse expresamente al proveedor, con lo cual normalmente es necesaria una selección especial de los materiales.
En la Tabla 2.2.3. se comparan las capacidades de los termopa-res para enfrentarse a distintas condiciones ambientales.
Tipo B ( PtRh 30 % - PtRh 6 %)
Las ventajas del termopar Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son su capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente.
Este último aspecto queda reflejado en la figura 2.2. por la pendiente despreciable de la curva del termopar Tipo B en la región de la temperatura ambiente.
Los termopares Tipo B resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 °C. También resultan satisfactorios durante cortos períodos de tiempo en vacío.
Las desventajas del termopar Tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizado en atmósferas reductoras
Tabla 2.2.3. - Limitaciones ambientales de termopares (sin vainas o tubos protectores).
Si la aplicación es adecuada
Tipo Atmósfera
oxidante Atmósfera reductora Atmósfera inerte Vacío Atmósfera sulfurosa Temperaturas Vapores Subcero metalicos
B R S J Sí Sí Sí Sí No No No Sí Sí Sí Sí Sí Si durante poco tiempo No No Sí No No No No > 500 °C No No No No No No No Sí K T E Sí (1) Sí Sí No Sí No Sí Sí Sí No Sí No No No No Sí Sí Sí (2) Sí Sí Sí
(1)Mejor que los termopares Tipo E, J o T por encima de 550 ºC. (2) La más satisfactoria para temperaturas subcero.
(como ser hidrógeno o monóxido de carbono ) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (ej. : plomo o zinc) o no metálicos (ej. arsénico, fósforo o azufre).
Nunca se lo debe usar con un tubo de protección metálico o termovaina (a partir de aquí, simplemente se la menciona como vaina).
Tipo R ( PtRh 13 % - Pt)
Los termopares Tipo R pueden ser utilizados en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400 °C. No son tan estables como los Tipo B en vacío. La ventaja del termopar Tipo R sobre el Tipo B es su mayor fem de salida.
La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso de los termopares Tipo R
• Nunca se los debe usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos
Figura 2.2.: Fuerza electromotriz (fem) en función de la temperatura para las termocuplas estándar y varias termocuplas no estándar por encima de 0°C.
fácilmente reducidos, a menos que se los protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos.
• Nunca deben ser insertados directamente dentro de una vaina metálica. Tipo S ( PtRh 10 % - Pt)
El termopar Tipo S es el termopar original platino - rodio, platino. Es el estándar internacional (Escala Internacional de Temperaturas de 1990; ITS - 90); para temperaturas superiores a 961 °C.
Los termopares Tipo S, igual que los Tipo R, pueden ser utilizados en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480 °C. Tienen las mismas limitaciones que los termopares Tipo R y Tipo B, y también son menos estables que el termopar Tipo B cuando se lo utiliza en vacío.
Figura 2.2.1. : Tolerancia limite para termopares estándar, clase 2, según IEC 584 parte 1.
Tipo J ( Fe - CuNi)
El termopar Tipo J, conocido como termopar hierro-constantán, es el segundo más utilizado en los EE.UU. El hierro es el elemento positivo, mientras que para el elemento negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán).
Los termopares Tipo J resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760 °C. Por encima de 540 °C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental del termopar Tipo J es su bajo costo.
Las siguientes limitaciones se aplican al uso de los termopares Tipo J:
• No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540 °C.
• A causa de la oxidación y fragilización potencial, no se los recomien- da para temperaturas inferiores a 0 °C.
• No deben someterse a ciclos por encima de 760 °C, aún durante cortos periodos de tiempo, si en algún memento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperature.
El constantán utilizado para termopares Tipo J no es intercambiable con el constantán de los termopares Tipo T y Tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobre - níquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60%.
Los fabricantes de los termopares Tipo J regulan la composición del termoelemento de cobre - níquel de manera que la fem de salida del termopar siga la curva de calibración publicada. Los termoelemen-tos fabricados por las distintas empresas con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termopar.
Tipo K ( NiCr - Ni)
Al termopar Tipo K se lo conoce también como el termopar chromel - alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El chromel es una aleación de aproximadamente 90 % de níquel y 10 % de cromo; el alumel es una aleación de 95 % de níquel,
más aluminio, silicio y manganeso, razón por la que la norma IEC la especifica NiCr-Ni. El Tipo K es el termopar que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que el termopar Tipo J.
Los termopares Tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1.260 °C y constituyen el tipo más satisfactorio de termopar para uso en atmósferas reductoras o sulfurosas o en vacío.
Tipo T ( Cu - CuNi)
El termopar Tipo T se conoce como el termopar de cobre - constantán. Resulta satisfactorio para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras o inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370 °C para un diámetro de 3,25 mm.
Aunque los termopares Tipo T resulten adecuados para medicio-nes debajo de 0 °C, la ASTM recomienda para ese propósito a los termopares Tipo E.
Tipo E ( NiCr - CuNi)
El termopar Tipo E, o chromel - constantán, posee la mayor fem de salida de todos los termopares estándar, según se muestra en la figura 2.2. Para un diámetro de 3,25 mm, su alcance recomendado es - 200 a 980 °C.
Estos termopares se desempeñan satisfactoriamente en atmós-feras oxidantes inertes, y resultan particularmente adecuados para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero, a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión.
El termopar Tipo E es mejor que el Tipo T para este propósito a causa de su mayor salida y puesta que la conductividad térmica del alambre de chromel es menor que la del alambre de cobre del termopar Tipo T.
Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termopares, además de aquellos que tienen asignadas una denomina-ción con la letra por la ISA (IEC). Estos otros termopares exhiben
características especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual los hace adecuados para aplicaciones especiales. Las carac-terísticas y la fem 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, muy difundida en nuestro país, que debemos 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. La curva de esta aleación, identificada por IEC con la letra L, presenta una diferencia con la Tipo J vista anteriormente, aún cuando sus composiciones químicas sean similares, de casi 13 °C en 800 °C. Sin embargo, en nuestro medio, se la confunde con su similar Tipo J.
En la Tabla 2.2.2. se detallan las características de los termo-pares no estándar más comunes disponibles hoy día en la industria de procesos.
Para una correcta elección del termopar adecuado es imprescin-dible el conocimiento exacto de las condiciones de trabajo. En el rango de trabajo por debajo de los 300 °C, hay poco peligro para cualquier aleación termopar, salvo la tendencia natural a la oxidación del elemento hierro (Fe) del termopar Fe - CuNi.
Por arriba de los 400 °C, los termopares no nobles1) comienzan a oxidarse en el aire, en particular los elementos de cobre (Cu) y hierro (Fe). En temperaturas superiores a los 700 °C todavía es factible utilizar en atmósferas reductoras el termopar hierro - constantán. En temperaturas cercanas a los 1.000 °C, se utiliza con éxito la combina-ción níquel cromo - níquel (NiCr - Ni)2), en caso de atmósferas oxidantes. Se la puede utilizar también a mayores temperaturas pero en desmedro de su vida útil.
(1) Se distinguen dos grandes grupos de termopares, que se
denominan nobles y no nobles. Se refiere a los termopares que combinan materiales preciosos, tales como los del grupo del platino (Pt) y del rodio (Rh) fundamentalmente para los nobles y a los restantes como los no nobles.
(2) La aleación níquel cromo - níquel se conoce en todo el mundo
también como Cromel - Alumel (Cr - Al), que es una marca comercial 15
T abla 2. 2. 4. - C ar acterística s de los termopa res n o está n d ar
registrada por Hoskins Inc. de EE.UU. Sin embargo la composición química de ambas denominaciones es exactamente la misma, con el agregado, además de Ni y Cr, de aluminio (AI) y vestigios de manganeso (Mn). En consecuencia la curva mV / °C es exactamente igual para ambas denominaciones.
2.3. Termopares no nobles
Los termopares no nobles son atacados con intensidad a altas temperaturas debido a la acción corrosiva de la atmósfera gaseosa. Como ejemplo considérese la oxidación con formación de cascarilla debido a las atmósferas oxidantes o vapores sulfurosos en el caso del constantán (CuNi) ó níquel (Ni).
Bajo atmósferas gaseosas y en particular en presencia de Co, vapor de agua o gases con contenido de oxígeno menor de 0,5 % (el
Tabla 2.2.5. - Equivalencias de distintos calibres de alambres termopares. Calibre AWG (American Wire Gauge) o Brown & Sharp Diámetro
(pulgadas) Diámetro (mm) (American Wire Calibre AWG Gauge) o Brown & Sharp Diámetro Diámetro (pulgadas) (mm) 1 0,2893 7,348 17 0,0453 1,150 2 0,2576 6,544 18 0,0403 1,024 3 0,2294 5,827 19 0,0359 0,9116 4 0,2043 5,189 20 0,0320 0,8118 5 0,1819 4,621 21 0,0285 0,7230 6 0,1620 4,115 22 0,0253 0,6438 7 0,1443 3,665 23 0,0226 0,5733 8 0,1285 3,264 24 0,0201 0,5106 9 0,1144 2,906 25 0,0179 0,4547 10 0,1019 2,588 26 0,0159 0,4049 11 0,0907 2,304 27 0,0142 0,3606 12 0,0808 2,053 28 0,0126 0,3211 13 0,0720 1,829 29 0,0113 0,2859 14 0,0641 1,628 30 0,0100 0,2546 15 0,0571 1,450 31 0,0089 0,2268 16 0,0508 1,291 32 0,0080 0,2019 17
efecto de los hidrocarburos no está comprobado), surge una corrosión en el níquel - cromo (NiCr) en la que puede visualizarse una corrosión selectiva de cromo (Cr) (figura 2.3.1.).
Este tipo de oxidación se conoce comúnmente como "verdin" ya que a la vista tiene una apariencia muy similar con aquél. El hecho de que en esta aleación se oxide primeramente el cromo produce que en la superficie de la aleación se forme una cascarilla de oxidación cerrada que limita una oxidación posterior.
Con esta oxidación aparecen grandes cambios de la fem del termopar luego de períodos de trabajo no muy prolongados, incluso a veces después de unas pocas horas.
El elemento níquel (Ni) del termopar es especialmente sensible al ataque por vapores sulfurosos en los hornos, cosa que ocurre con frecuencia en hornos alimentados por combustibles líquidos.
La resistencia al ataque por sulfuros puede llegar a aumentarse un poco en el níquel por el contenido de manganeso (Mn) en relación con lo que sería en caso del níquel puro, pero aún así aparece el ataque
Tabla 2.2.6. - Composicion quimica nominal de termoelementos.
JP JN TP
TN
EN (1)
KP
EP KN RP SP RN SN BP BN
Elemento Composición química nominal, %
Hierro Carbono Manganeso Azufre Fósforo Silicio Níquel Cobre Cromo Aluminio Platino Rodio 99.5 …(2) ... (2) ... (2) …(2) …(2) …(2) …(2) …(2) … … … … … … … … … 45 55 … … … … … … … … … … … 100 … … … … … … … … … … 90 … 10 … … … … … 2 … … 1 95 … … 2 … … … … … … … … … … … … 87 13 … … … … … … … … … … 90 10 … … … … … … … … … … 100 … … … … … … … … … … … 70.4 29.6 … … … … … … … … … … 93.9 6.1
(1) Los tipos JN, TN, y EN suelen contener pequeñas cantidades de distintos elementos para controlar la fem térmica, con las correspondientes reducciones en el contenido de níquel o cobre o ambos.
sulfuroso sobre el níquel en los alimentados por combustibles como ser gas o diesel - oil, o bien debido a los vapores existentes en los hornos de templado por aceite, por desprendimiento de vapores con contenido de azufre de los ladrillos refractarios o cementos cerámicos, o a consecuencia del agregado de polvos que son necesarios para algunos procesos térmicos. En la figura 2.3.2. puede verse el resultado típico de un ataque por sulfuros sobre el níquel.
Similar ataque sufre el elemento constantán (CuNi) de la ter-mocupla de Fe - CuNi en presencia de gases sulfurosos. Bastan algunas centésimas de por ciento de contenido de azufre, para que se produzca el ataque del CuNi con la consiguiente fragilidad intercrista-lina.
2.4. Termopares nobles
En el caso del termopar platino rodio - platino (PtRh - Pt), la norma DIN (alemana) específica un limite de temperatura de 1.300 °C para inmersión permanente. En caso de ser aire, no debe esperarse ninguna variación apreciable en la señal entregada.
Estas condiciones de trabajo ideales se encuentran con poca frecuencia en las mediciones de temperatura industriales. En la mayoría de los casos se presentan atmósferas reductoras o gases sulfurosos que, en altas temperaturas, pueden provocar un deterioro de los termopares.
En algunas ocasiones también se puede dar el caso de un ataque por contaminación de silicio, es muy frecuente encontrarlo como óxidos (SiO2) en los cementos cerámicos o ladrillos refractarios
que revisten los hornos, y también en pequeñas proporciones en las vainas cerámicos o aisladores cera micos para termocuplas que se fa-
Figura 2.3.1. : Oxidación selectiva de cromo del elemento termopar NiCr.
(Aumento 300: 1)
Figura 2.3.2. : Ataque por vapores sulfurosos sobre el níquel puro (Ni) del NiCr - Ni.
(Aumento 300: 1)
Figura 2.3.3.: Alambre de niquel (Ni) del termopar NiCr - Ni atacado. (Aumento 300 : 1)
brican sobre la base de óxido de alúmina (Al2O3) y silimanitas (SiO2). El silicio por sobre los 1.000 °C en atmósferas reductoras se reduce a SiO y se difunde primero sobre el platino y luego lo va contaminando lentamente. Esto no afecta tanto a la señal termoeléc-trica sino a su resistencia mecánica, en especial al elemento platino puro, apareciendo de esta manera un eutéctico con un punto de fusión que comienza por arriba de los 900 °C. En forma similar puede ser atacado el platino rodio por las uniones volátiles de azufre y silicio.
La (pica forma de evitar este tipo de ataque es utilizando vainas protectoras y aisladores de una muy buena calidad, como por ejemplo de alúmina pura con el menor contenido de silicio posible e impermeable a los gases. Lo anterior se logra con alúminas (Al203) de pureza superior al 99,7 %.
El hierro, el cobre y otras impurezas metálicas influyen sobre la estabilidad de la señal termoeléctrica en los termopares del grupo del platino, aunque no provoquen generalmente una variación sustancial de la ductilidad. Una presencia de tan solo 0,1 % de hierro (Fe) en el elemento platino (Pt) alcanza para provocar alteraciones en la fem del
termopar, lo que significa un error de medición de signo negativo y de aproximadamente 150 °C.
No siempre es fácil averiguar cómo pueden llegar estas impurezas hasta el termopar. Como explicación, en algunos casos, se puede considerar que los elementos densos e impermeables a los gases, que suelen utilizarse en algunas oportunidades a altas temperaturas, ya no son tan densos e impermeables como para evitar la penetración de estas impurezas.
Hay dos combinaciones de termopar noble que tienen una considerable estabilidad y vida útil y que son contempladas en la norma IEC 584 para PtRh - Pt. Se trata de aleación PtRh 18 - Pt (PtRh 6% - PtRh 30 %) Tipo B y el no tan conocido termopar con estructura de "grano fino" (puede ser PtRh 10% - Pt o PtRh 13% - Pt) Tipo S o R. Desde ya que la señal de esta termocupla PtRh 18 - Pt no coincide con la de las tradicionales PtRh 10% - Pt o PtRh 13% - Pt. La mayor estabilidad del termopar de estructura de "grano fino" se centra en la ventaja de su tendencia a no agrandar el grano. Inclusive luego de un tiempo prolongado a altas temperaturas, no se observa crecimiento apreciable del grano y, por lo tanto, sus características mecánicas no se modifican.
En la figura 2.4.1. se muestra la diferencia de estructura entre un platino normal y uno de estructura de "grano fino" luego de un uso
Figura 2.4.1.:1.- Tamaño del grano de un elemento de platino normal luego de 100 horas a 1.450 °C.
2.- Tamaño del grano para platino con estructura de "grano fino"
de 100 horas en aire a 145 °C. La diferencia entre sus estructuras es fácil de visualizar.
También el termopar PtRh 18 - Pt, Tipo B, con aleación de rodio en ambos elementos es mucho más resistente a la absorción de impurezas aun con una estructura de grano considerablemente más gruesa. Con el agregado de rodio en ambos elementos también se consigue una tendencia a la compensación de la aleación en altas temperaturas sensiblemente mayor a la que se consigue con termoele-mentos PtRh - Pt. Como ya se mencionó, al haber una volatilización de Rh, el termopar cambia radicalmente la configuración química en este último tipo de aleación.
Esta aleación también tiene un tope de temperatura de uso permanente más elevado, de 1.500 °C, y en usos de corta duración se puede llegar a 1.800 °C.
La poca señal que entrega en el rango de 0 a 120 °C produce, según se puede apreciar en la figura 2.2., una meseta que indica que, en algunos casos, su conexión se puede realizar sin recurrir a cable de compensación y sin provocar errores de medición.
Un estudio realizado en 1977 en Alemania por Froschauer y Schmidt, con PtRh 10% - Pt, acerca de la influencia de las impurezas que se desprenden de los elementos aislantes o de las vainas de protección, demostró la ventaja de utilizar elementos aislantes y protectores de alúmina pura (99,7 % como mínimo). Este estudio se llevó a cabo embebiendo un termopar de PtRh 10% - Pt y uno de PtRh
Figura 2.4.2.: Variación de la fuerza electromotriz (fem) de aleaciones PtRh - Pt después de un tratamiento térmico en aire a 1.400 °C
6% - PtRh 30% en diversos polvos cerámicos y luego exponiéndolos en aire a 1.400 °C durante 50 horas; en la figura 2.4.2. pueden observarse los resultados obtenidos. En el caso de la alúmina pura no se observan grandes modificaciones, pero si para Mullite (silicato de Al), y aun mas para dióxido de silicio.
A posteriori se estudió la influencia del silicio, comprobándose que no era en si el silicio el causante de la contaminación sino el hierro siempre presente en el silicato técnico usado normalmente.
Esto último se volvió a comprobar embebiendo un termopar de PtRh 10% - Pt en los materiales consignados en la Tabla 2.4. y exponiéndolos a aire a 1.300 °C durante 2 horas. Según puede observarse, el cuarzo de alta pureza no modificó la fem; de los materiales conocidos los más inertes resultaron la alúmina pura (Alsint) y el óxido de magnesio, el cuarzo y la silimanita (Pythagoras).
Otras protecciones
A consecuencia de las altas temperaturas que reinan en los hornos industriales, el aire se convierte, para muchos metales protec-
Tabla 2.4. - Cambios en la señal termoeléctrica del platino rodio 10% - platino (PtRh 10% - Pt) después de 24 Hs. a
1300 °C con distintos compuestos cerámicos.
Polvos cerámicos Alteración de fem en %
Mullite (CSSR) -0,61 Ignodur (KW Neuhaus) -0,60 Triangle H5 (Morgan) -0,37 Pythagoras (W. Haldenwanger) -0,25 Corundio (95% AI2O3) -0,06 Cuarzo técnico -0,70
Cuarzo técnico purificado -0,35
Cuarzo de alta pureza -0,00
A12O3 Alsint (W. Haldenwanger) -0,05
MgO (Óxido de magnesio) -0,06
2,5% Fe2O3 en AI2O3 -5,52
2,5% FeO en AI2O3 -2,96
1% Na2O en A12O3 -1,76
tores de termocuplas, en un medio agresivo que, a través de la oxidación, llega a provocar la inutilización de dichos metales.
Las llamas de quemadores con un componente importante de monóxido de carbono (Co), los hidrocarburos y los compuestos sulfurosos llevan al material a un estado quebradizo, producto del enlace sulfuroso o por carburización. Para estos procesos se dispone de materiales de protección sobre la base de hierro - cromo (FeCr) y hierro - cromo - níquel (FeCrNi) con el agregado, con muy buenos resultados, de aluminio, silicio y manganeso.
3. Compensación de junta de referencia
La fem neta generada en función de las temperaturas de ambas juntas requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.
El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0 °C). Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición, compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición.
El tercer método es una compensación eléctrica, que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro de un circuito eléctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia, a fin de corregir automáticamente la salida de la termocupla (figura 3).
Como se verá mas adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, mucha veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres termopares. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.
Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta de referencia.
En el caso del tercer sistema de compensación (figura 3), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60 °C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10 y 60 °C.
Los cables compensados reproducen las mismas curvas de respuesta y de tolerancia mV/ °C que las termocuplas entre aproxima-damente -25 y 200 °C. Se las utiliza sólo por razones económicas, ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.
Ejemplo de calculo para una señal de termocupla dada, conocida la temperatura de junta de referencia, necesitamos conocer la temperatura (en junta de medición) real
Para un termopar tipo K (NiCr - Ni) según IEC 584 con una temperatura de 35 °C en junta de referencia y una señal termoeléctrica (fem) en junta de medición de 8.298 mV.
Figura 3. : Sistema electrónico de compensación de junta de referencia.
1. Termocupla 3. Compensador de mV. 2. Cable compensado 4. Fuente de tensión constante
Buscando la temperatura correspondiente a 9,705 mV en la tabla mV / °C, encontramos que la temperatura real es 239 °C.
3.1. Cables compensados según normas IEC y DIN
Los cables compensados para termocuplas según IEC o DIN tienen sus características eléctricas y mecánicas especificadas en las normas IEC 584-3 y la DIN 43714.
Sus aleaciones tienen la misma composición química que las termocuplas a que corresponden cuando se los denomina cables de extensión.
En cambio, se fabrican con aleaciones de materiales especiales pero con las mismas características termoeléctricas de las termocuplas con las que deban trabajar, y se los conoce como cables compensados específicamente.
Esto siempre dentro de un limitado rango de temperatura ambiente, y que será el ambiente donde estarán tendidos.
Se los designa con un código de tres letras como se ve a continuación:
Primera letra: termocupla con la que trabaja Segunda Ietra:X: mismo material que la termocupla
(idéntica aleación) C: material especial
Tercera letra: muchas aleaciones compensadas se designan con una segunda letra.
Ejemplo: KX: cable de extensión para termocupla tipo K, aleación ídem termocupla
RCA :cable compensado para termocupla tipo R, aleación especial, material tipo A.
Con respecto a las tolerancias de los cables de extensión y compensados se rigen por las normas antes mencionadas. Existen dos clases de tolerancias: clase 1 y 2; la tolerancia clase 1 es la más estrecha y sólo se consigue con las aleaciones que son iguales a las de sus termocuplas ( cables de extensión ). Los cables compensados se proveen siempre en clase 2.
Como puede verse en la tabla de más arriba, la temperatura de operación rige para toda la longitud del cable que será expuesta, incluyendo la terminación que se conectará a bornes de la termocupla, para no exceder la tolerancia especificada. Adicionalmente puede verse limitada por la temperatura máxima de utilización del material aislante que protege al cable. En vista de la no linealidad de las fuerzas
Tabla 3.1. - Tolerancias límites para cables compensados y de extensión según IEC 584 – 3
Tolerancia Clase Termopar y tipo de alambre 1 2 Rango de temperatura de operación °C Temperatura medida °C JX ±85µV/±1.5°C ±140µV/±2.5°C -25a+200 500 TX ±30µV/±0.5°C ±60µV/±1.0°C -25a+100 300 EX ± 120µV / ± 1.5 °C ± 200µV / ± 2.5 °C 25 a + 200 500 KX ± 60µV / ± 1.5 °C ± 100µV / ± 2.5 °C - 25 a + 200 900 NX ± 60µV / ± 1.5 °C ± 100µV / ± 2.5 °C - 25 a + 200 900 KCA ± 100µV / ± 2.5 °C 0 a + 150 900 KCB ± 100µV / ± 2.5 °C 0 a + 100 900 NC ± 100µV/± 2.5 °C 0 a + 150 900 RCA ± 30 µV / ± 2.5 °C 0 a + 100 1000 RCB ± 60µV / ± 5.0 °C 0 a + 200 1000 SCA ± 30 µV/± 2.5 °C 0 a + 100 1000 SCB ± 60 µV / ± 5.0 °C 0 a + 200 1000
Tab la 3. 2. S ist e m a de id e n tif ica ci o n de co lo res p a ra cab les co m p e n sai los. Te rmoc upl a IEC 584 part e 3 DIN 43 714 ANSI / MC 96.1 Ai slac ión Indi vidual Ais lac ión Indi vidual Cubi erta Ai slac ión Indi vidual Materi al T ipo Pos itiv o Negati vo Cubi erta ex teri or Pos itiv o Negati vo Cubi erta ex teri or Pos itiv o Negati vo ex teri or Cu - CuNi * Cu - CuNi Fe - CuNi * Fe - CuNi Ni Cr Ni Ni Cr-C uNi Pt10Rh - Pt Pt13Rh - Pt Pt30Rh - Pt6 RH U T L J K E S R B Roj o Marr ón Roj o Negro Verde Vi ol eta Naranj a Naranj a --- --- Marr ón Bl anc o Bl anc o Bl anc o Bl anc o Bl anc o Bl anc o Bl anc o --- --- Marr ón Marr ón Bl anc o Negro Verde Vi ol eta Naranj a Naranj a --- --- Roj o Roj o Roj o Roj o Roj o Roj o Roj o Roj o Roj o Marr ón Marr ón Bl anc o Azul Verde Negro Bl anc o Bl anc o Gr is Marr ón Marr ón Bl anc o Azul Verde Negro Bl anc o Bl anc o Gr is --- --- Azul --- --- Bl anc o Am arillo Vi ol eta Negro Negro Gr is -- --- -- --- Roj o Azul --- --- Roj o Neg ro R ojo Am arillo Roj o Vi ol eta Roj o Verd e Roj o Verd e Roj o Gri s Te rmoc upl a BS 1843 JIS 1610-1 981 NF C 42 - 323 Ai slac ión Indi vidual Ai slac ión Indi vidual Cubi erta Ai slac ión Indi vidual Materi al T ipo Pos itiv o Negati vo Cubi erta ex teri or Pos itiv o Negati vo Cubi erta ex teri or Pos itiv o Negati vo ex te rior C u - CuNi * U --- --- --- --- --- --- -- --- -- --- --- --- --- --- --- --- --- ----C u C uN i T Bla nc o Azu l Azu l R ojo Bla nc o M arr ón Am arillo Azu l Azu l Fe -CuNi * L --- --- --- --- --- --- -- --- -- --- --- --- --- --- --- --- --- ----Fe - C uN i J Am arillo Azu l N eg ro R ojo Bla nc o Am arillo Am arillo N eg ro N eg ro N iC r - N i K M arr ón Azu l R ojo R ojo Bla nc o Azu l Am arillo Vio leta Am arillo N iC r - C uN i E M arr ón Azu l M arr ón R ojo Bla nc o Vio leta Am arillo Vio leta Vio leta Pt 10 R h Pt S Bla nc o Azu l Ve rd e R ojo Bla nc o N eg ro Am arillo Ve rd e Ve rd e Pt 13 R h Pt R Bla nc o Azu l Ve rd e R ojo Bla nc o N eg ro Am arillo Ve rd e Ve rd e Pt30 Rh - P t6 R H B --- --- --- --- --- --- Roj o G ris G ris --- --- --- --- --- ----* Te rm oel em en tos s egú n DI N 43 71 0 L a c ubi er ta ex ter ior p ue de id en tifi ca rse c on un a he br a del c olo r c orr es po ndi en te
electromotrices de los termopares, las tolerancias están indicadas en µV y también en °C, pero sólo aplicables a la temperatura que se indica en la columna de la derecha.
Esto significa que por ejemplo: Un termopar tipo J conectado mediante un cable de extensión tipo JX, clase 2. Si la medición de temperatura se mantiene' constante en 500 °C y los terminates y el cable de extensión tienen a to largo de su longitud una variación de temperaturas desde -25°C hasta 200 °C, la temperatura indicada no varía más de ± 2,5 °C.
3.2. Código de colores para cables compensados y de extensión Los colores para cables según DIN están especificados en la norma DIN 43713 (1990). Para termocuplas según IEC 584 el conductor positivo tiene el mismo color que la cubierta exterior, el negativo es siempre blanco. Las "antiguas” termocuplas tipo L y U según DIN 43710 tienen códigos diferentes. Para el cable correspondiente a la termocupla tipo B no hay codificación designada. Por la curva tan «chata», característica de la termocupla tipo B, se puede utilizar conductor de cobre en lugar de cable compensado.
De acuerdo a la DIN 43714 los cables serán retorcidos entre ellos para mejor protección de campos electromagnéticos. Protección adicional por blindaje de cinta o pantalla también puede ser provista. La resistencia de aislación entre los conductores y entre conductor y cubierta no debe ser menor a 100 megohm/m a la máxima temperatura de operación. La tensión de prueba debe ser superior a 500 V ca.
3.3. Conexión de las termocuplas
El largo de los cables de extensión o compensados en relación con las termocuplas tiene mucha menos importancia que por ejemplo en los cables de conexión de las termorresistencias; sin embargo, en el caso de largos tendidos con cables de secciones menores se pueden alcanzar resistencias importantes, que habrá que tomar en cuenta.
En el caso de termocuplas tipo J ( Fe - CuNi ) se debe recordar que el elemento positivo es hierro puro y tiene facilidad para oxidarse
Figura 3.2. : Fuerza electromotriz (fem) para 100°C (referencia 0°C) para
rápidamente en las conexiones en bornes o conectores. La unión del hierro y el cobre, por ejemplo en la conexión del elemento positivo y un cable de conexión de cobre representa una celda electroquímica. En presencia de humedad, esta celda Ileva a la formación de una unión galvánica con incremento de la corrosión. La resultante de corrientes parásitas puede introducir serios errores en la medición.
Por esa razón, se prefieren terminales estañados y cables estañados a conductores o terminales desnudos de cobre. Como el estaño, en la escala termoeléctrica es mayor que el hierro, para el elemento positivo (hierro) se utiliza un pasivado de su superficie, que reduce esta reacción.
Frecuentemente se escucha la pregunta de cuando es posible conectar termoelementos a cables compensados con elementos estándar de conexión de cobre o bronce, como conectores o borneras. Aparte del problema de corrosión de dos metales diferentes, efectiva-mente es posible bajo ciertas condiciones.
Si utilizamos un conector convencional con contactos de cobre, para conectar el elemento positivo de un termoelemento de Fe - CuNi (es decir el elemento de hierro), a continuación de otro termoelemento o cable de extensión, debemos verificar que la temperatura en cada extremo de la conexión Fe/Cu y Cu/Fe sea la misma.
La fem (fuerza electromotriz) producida en las uniones Fe - Cu y Cu - Fe se cancelan una con otra a la misma temperatura por tener polaridad inversa y el mismo valor. Esto independientemente del valor de temperatura y del material de la unión.
Fig. 3.3.1. : Conexión de un termoelemento o cable con conectores de cobre convencionales.
Tabl
a 3.3.2. - A
ccesori
Cuando la conexión debe realizarse con gradientes de tempera-tura importantes, por ejemplo a través de una pared aislante con diferentes temperaturas de un lado y del otro, o cuando por conducción térmica del termoelemento o el cable existen diferentes temperaturas en un lado y otro de la conexión, se utilizan conectores compensados especiales.
4. Construcción de las termocuplas
Los requerimientos más importantes que deben cumplir las termocuplas son:
• Deben ser mecánicamente robustas y resistentes al ataque del medio en que se encuentran.
• Deben producir una señal termoeléctrica mensurable y estable.
• Deben tener la exactitud requerida.
• Deben responder con la velocidad necesaria.
• Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
• Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa.
• Deben ser económicas.
Hay una gran variedad de diseños de termocuplas para las numerosas y diversas aplicaciones. En su diseño más común, los termoelementos (alambres) de los materiales deseados se unen, normalmente mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados después de la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia como ser fibra de vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo teflón), aisladores cerámicos, fibra cerámica, polvo cerámico, etc.
Los alambres (termoelementos) pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o vaina de protección. Los tubos y las vainas de protección se usan casi siempre para proteger los termoele-mentos desnudos, mientras las termocuplas del tipo compactadas con blindaje protector metálico pueden brindar suficiente protección mecánica y al ataque químico sin tubo o vaina en la mayoría de los casos.
4.1. Construcción tipo compactada
Las termocuplas con protección metálica incluida, normalmente Ilamadas compactadas (figura 4.1.1.), son fabricadas a partir de un tubo de acero inoxidable u otra aleación de aproximadamente un metro de largo y algunos centímetros de diámetro interno. Se posicionan los dos alambres (termoelementos) centrados a lo largo del tubo y el espacio interior se Ilena con óxido de magnesio u óxido de alúmina.
Posteriormente se procede a reducir el diámetro del tubo trafilándolo, aplastando así los aisladores o comprimiendo el polvo hasta formar una masa más densa.
La unidad, finalmente, es tratada térmicamente para aliviar las tensiones provocadas por la reducción del diámetro y para eliminar cualquier humedad residual. Se producen en diámetros de 15 mm a 0,5 mm. La geometría interna del tubo y alambres no se modifica. La
Figura 4.1.1. : Construcción de la junta de medición en termocuplas compactadas
a : Solidaria : construcción especial para lograr una mayor velocidad de respuesta
b : Aislada : construcción normal de las termocuplas. También se la puede construir expuesta; tratándose de una construcción especial que ofrece la máxima velocidad de respuesta y la mínima resistencia a los agentes corrosivos por estar la junta fuera de la vaina protectora.
junta de medición de las termocuplas con blindaje metálico pueden tener tres configuraciones distintas:
• Soldada al extremo de la protección metálica.
• Aislada del extremo de la protección metálica.
• Expuesta fuera del extremo de la protección metálica.
Soldando los alambres al extremo de la protección metálica se logra hacer masa con ella, se los protege de daños mecánicos y condiciones ambientales adversas y se asegura una construcción hermética a la presión. La velocidad de respuesta de este tipo de construcción se encuentra entre la velocidad de la junta expuesta (la más rápida) y la aislada (la más lenta). De cualquier manera éstas son mucho más rápidas que las termocuplas convencionales, por su pequeño diámetro.
La junta aislada es similar a la junta puesta a masa, salvo por hallarse eléctricamente aislada del blindaje y tener una respuesta más lenta.
La junta expuesta posee la respuesta más rápida de las tres configuraciones, pero no es hermética a la presión o a la humedad y los alambres se hallan expuestos al ambiente. Esto podría Ilevar a la corrosión y/o corto circuito eléctrico debido a la conductividad del medio del proceso.
La termocupla compactada es mecánicamente más robusta que la termocupla convencional con alambre aislado, y se la puede doblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos, aproximadamente tres veces el diámetro de la protección.
Esta termocupla puede ser cargada a resorte dentro de un tubo o vaina de protección (cuando se requiere protección adicional - Ver figura 4.1.2.) para garantizar el contacto con el fondo de la vaina o el tubo, a fin de obtener una rápida respuesta.
Tienen una gran respuesta al impacto y a la vibración. Pueden tener junta de medición con cabezales de conexión, salidas de cable compensado o fichas.
Se dispone de termocuplas compactadas con diámetros exter-nos desde 0,5 hasta 15 mm. Los blindajes pueden hacerse de una gran variedad de materiales, siendo los mas comunes los de aleacio-nes de níquel - cromo y aceros inoxidables.
Pueden fabricarse de, prácticamente, cualquier largo y se produ-
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cen con los tipos de termopar no nobles ("J", "K", "T", "E") pero no con termoelementos de platino ("S", "R" o "B") por no tener la ductilidad necesaria para resistir la trefilación.
Muchas veces no precisan de cables de extensión o compensados ya que se pueden continuar hasta las borneras de conexión o los mismos equipos de medición, aprovechando su flexibilidad como cables de extensión y tienen la ventaja de poder atravesar zonas de alta temperatura y alta presión.
A causa de sus diámetros pequeños la distancia entre el termoelemento y la protección metálica es mínima y se debe tener
cuidado con la resistencia de aislación; se debe recordar que la resistencia decrece rápidamente a temperaturas elevadas. Las temperaturas máximas de operación dependen de los diámetros de las termocuplas. Aquí, nuevamente mayores diámetros resisten mayores temperaturas.
La figura 4.1.3 muestra la relación para temperaturas de operación continua, de dos tipos de termocuplas diferentes. (En este caso tipo "K" NiCr-Ni y "N" NiCrSi-NiSi).
Una ventaja que mencionamos en estas termocuplas es su alta resistencia a los choques y vibraciones por su solidez entre termoelementos y protección.
Figura 4.1.2. : Inserto para ter-mocuplas con construcción solidaria.
a : Zócalo de conexión d: Termopar
b : Largo de inserción e : Tapa c : Tubo de protección f : Aislador
Pero esto a su vez acarrea una mayor deriva en el tiempo de la señal termoeléctrica, primero por la constante solicitación mecánica producto de la diferencia de coeficientes de dilatación termoelemen-tos/vaina.
Segundo, el poco espacio entre éstos facilita la contaminación de los termopares por la protección metálica.
Existen estudios que muestran que el oxígeno en los materiales de Ilenado en la forma de aire, agua o dióxido de carbono es responsable de esto.
Este actúa como medio de transporte para el equilibrio de las concentraciones de sulfuros y carbono en la protección metálica y los termoelementos, y esto cambia la composición química de los mate-riales.
Estos conceptos sobre contaminación, responsabilizando a la protección metálica, vuelven a verse en la investigación de Bentley sobre termocuplas compactadas tipo N de 3 mm de diámetro con protecciones de diferentes tipos.
Por esta razón se trata de usar protecciones metálicas lo más parecidas en su composición química a los termoelementos. Para termocuplas tipo N el fabricante recomienda utilizar Nicrosil, un
Figura 4.1.3 : Máximas temperaturas de operación para termocuplas compactadas.
material de composición similar al termoelemento positivo de esa termocupla.
4.2. Vainas y tubos de protección
Puesto que son muchas las aplicaciones que exponen los termoelementos a condiciones ambientales adversas, por lo general, las termocuplas han de contar con protección. Los tubos y las vainas de protección se eligen generalmente en base a las condiciones corrosivas que se esperan, más consideraciones de abrasión, vibra-ción, porosidad, velocidad de fluldo, presión, costo y requerimientos de reemplazo y montaje.
Por lo común, se dispone de vainas para sensores con diámetros externos desde 3 hasta 22 mm de diámetro. Una rosca a proceso macho o una brida proveen un montaje hermético a la presión en el recipiente de proceso si es necesario. En las vainas de la figura 4.2.1., el cuello, o sea el tubo entre la rosca a proceso y el cabezal de la vaina, permite separarla térmicamente de la fuente de calor que puede afectar el cabezal de conexiones.
Figura 4.1.4 : Derivas de la señal termoeléctrica dependiendo de la protección metálica.
Las vainas cónicas brindan una mayor resistencia, permitiendo su uso a mayores velocidades del fluido de proceso y a mayores presiones (ver figura 4.2.1. b y c). Las vainas bridadas se usan cuando se requieren conexiones del tipo bridado al recipiente de proceso por trabajar a altas presiones. Las vainas bridadas utilizan en ocasiones un revestimiento especial o blindaje metálico, como ser plomo, titanio o tantalio; estos metales podrían resultar imprácticos o demasiado costosos para la construcción de la vaina entera. Las vainas con extremo sensibilizado poseen una respuesta más rápida que las vainas rectas o cónicas.
Figura 4.2.1.: Montaje de sensores de temperatura. a : Con rosca a proceso;
b : Para soldar; c : Con brida;
d : Montaje de una termocupla de vaina cerámica con brida tope deslizable en la pared de un horno con chapa protectora;
e : Montaje de una termocupla de vaina metalica ; f : Similar a d) con protección de escapes de gases.
Figura 4.2.3.: Termocupla recta con vaina exterior e interior, termopar doble de PtRh - Pt, aislador cerámico de un solo tramo y cuatro orificios.
Los tubos de protec-ción son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un monta-je hermético de protección en el.recipiente de proceso. Por lo general, los tubos se utilizan en instalaciones a presión atmosférica. Se los fabrica de metal o
materiales cerámicos,
Figura 4.2.4. : Termocupla del tipo acodado con brida.
como ser porcelana Mullite, silimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras aleaciones (figura 4.2.1.).
Las termocuplas de platino requieren normalmente un conjunto de dos tubos para impedir la contaminación por vapores metálicos o gases.
El tubo interior se hace de un material como porcelana o silimanita y brinda protección contra los gases corrosivos. El tubo exterior se hace de grafito, carburo de silicio o silimanita porosa, para lograr resistencia mecánica y protección contra shock térmico (figura 4.2.3.).
En la figura 4.2.4. puede verse una construcción típica acodada, para lograr la protección del cabezal de conexiones en el caso de
Figura 4.2.5. : Termocuplas rectas.
a : Con termopar NiCr - Ni o Fe - CuNi y vaina metálica
inmersión de la vaina en procesos de fusión de metales no ferrosos o tratamientos térmicos por baños de sales con desprendimiento corrosivo o radiación térmica intensa, que afectarían el cabezal directamente si la construcción fuese recta.
Por su parte, en la figura 4.2.5., puede observarse una construc-ción convencional del tipo "J" o "K" (NiCr - Ni o Fe - CuNi) con vaina simple o tubo protector metálico, y la diferencia en el montaje en caso de ser vaina cerámica.
Los distintos materiales disponibles para tubos y vainas de protección, y sus costos relativos, se detallan en la Tabla 4.2.6. Se usa
Tabla 4.2.6. - Costos de los materiales de vainas relativos al acero al carbono.
Marcas registradas de
T abla 4. 2. 8. - Aplica ciones y especifca
ciones de tubos de protección pa
ra
termocupla
Tab la 4 .2 .8 . A p lica ci o n es y esp e ci fica ci o n es d e t u bos d e pr ot ecc ión par a t e rm oc up la s (co n tin u ac ió
Tabl a 4.2.8. - A p lic aci ones y especi fi caci ones de tubos d e protecci ón para termocupl as (conti nuaci
Tabl a 4.2.8. - A p lic aci ones y especi fi caci ones de tubos d e protecci ón para termocupl as (conti nuaci
Tabl a 4.2.8. - A p lic aci ones y especi fi caci ones de tubos d e protecci ón para termocupl as (conti nuaci ón)
T abla 4. 2. 9. - G u ía de selección de ma teria les pa ra servicio en a m bien tes corrosivos
T abla 4. 2. 9. - G u ía de selección de ma teria les pa ra servicio en a m bien tes corrosivos (con tin u ación
T abla 4. 2. 9. - G u ía de selección de ma teria les pa ra servicio en a m bien tes corrosivos (con tin u ación )
Tabla 4.2.10. - Regímenes de temperatura para distintas clases de aislación
Tipo general de aislación Régimen general
máximo de temperatura, °C PVC +99 Nylon +176 Teflón +260 Kapton +371 Fibra de vidrio +482 Asbestos +538
Cerámica - Cordierite o Mullite +982
Cerámica - Silimanita +1.600
Óxido de Magnesio compactado (Mg 0) +1.730
Cerámica - Alúmina +1.800
el acero al carbono como índice base, con un factor de 1,0 y los costos de los otros materiales se dan en valores relativos. De esta forma, el titanio, cuyo factor es 12,0 resulta doce veces más costoso que el acero al carbono.
4.3. Respuesta térmica
El tiempo de respuesta con vainas y tubos sera de tres a diez veces mayor que con los termoelementos sin protección. Los métodos generalmente utilizados para minimizar el tiempo de respuesta consiste en proveer un buen contacto térmico entre el termopar y el interior de la vaina por medio de una carga a resorte, o bien obtener una tolerancia estrecha entre el diámetro exterior del termoelemento y el diámetro interior de la vaina. Esto minimiza la separación de aire que hace más lenta la transferencia de calor desde la vaina al termoelemento.
En la figura 4.3.1. puede verse una construcción normalizada correspondiente a una termocupla con vaina y sensor intercambiable interior con carga a resorte. En la figura 4.3.2. se puede observar una construcción del extremo sensibilizado vs. construcción normal.
Otra manera de minimizar el retardo de la respuesta es el de agregar una pequeña cantidad de aceite siliconado o grafito en polvo
y aceite dentro de la vaina. El relleno no debe congelarse o hervir a las temperaturas encontradas en el proceso y no debe reaccionar quími-camente ni con la vaina ni con el sensor. Para las instalaciones horizontales o con el extremo abierto hacia abajo se puede usar grafito en grasa en lugar de líquido.
Cada uno de los metales tiene distinta conductividad térmica. Pbr ejemplo, el acero inoxidable posee una menor conductividad que el cobre. Sin embargo, los ensayos han demostrado que no hay una diferencia significativa en el tiempo de respuesta entre una vaina de acero inoxidable y una vaina de cobre; las diferencias entre las velocidades de transferencia de calor de las distintas vainas metálicas son insignificantes si se compara la velocidad de transferencia de calor desde el proceso a la vaina con la velocidad de transferencia de calor desde la vaina al sensor y con la respuesta del sensor.
Otro factor a tener en cuenta al emplear tubos y vainas es el efecto de conducción térmica. Puesto que el tubo o la vaina salen fuera del proceso habra una distribución de gradientes de temperatura en su longitud, y si el tubo o la vaina no se encuentran insertados to suficiente-mente profundo dentro del proceso, esos gradientes provocarán inexac-titudes en la medición. a : Cabezal b : Cuello c : Rosca a proceso d : Aislador cerámico e : Vaina metálica f : Termocupla g : Longitud de la vaina h : Longitud del cuello
Figura 4.3.1. : Termocupla con vaina y rosca a proceso con cabezal de co-nexiones (sonda intercambiable cons truida segun DIN 16160)
