¡Descarga Principios Básicos de Termocuplas y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Electrónica solo en Docsity!
Principio de funcionamiento de
las 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 (termoele- mentos) salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia. Se produce entonces una fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (figura 2). Dado que el principio de medición se basa en la diferencia de temperatura entre la junta de medición y la de referencia, la temperatura en la junta de referencia debe ser conocida y constante. De no ser esto posible, dicha temperatura deberá ser determinada por un segundo sensor.
Figura 2: esquema de una termocupla y su sistema de medición. Junta de medición Junta de conexión Cable compensado Junta de referencia
Debido al gran número de posibles combinaciones de metales, algunas de ellas han sido seleccionadas (Tablas 1 y 2) y sus tablas de valores termoeléctricos y de tolerancias han sido incorporados en especi- ficaciones estándar (tabla). N ó t e s e q u e h a n s i d o e s t a - ndarizados dos tipos de termo- cuplas (Hierro vs. Cobre-Níquel) y (Cobre vs. Cobre-Níquel) tanto en IEC 584 y DIN 43 710 pero en la actualidad las termocuplas tipo L y U se utilizan con menos frecuencia. En las termocuplas listadas en la tabla el primer conductor siempre es el positivo y los colores se aplicarán tanto a los conductores como a los cables. En los casos en los que los conductores en las termocuplas no estén identificados por color se podrán identificar de la siguiente forma: Tipo J: El conductor positivo es magnético. Tipo T y U: El conductor positivo es color cobre. Tipo K: El conductor negativo es magnético. Tipo S y R: El conductor negativo es más maleable que el positivo. Estas distinciones no se aplican a los cables compensados.
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 los cables compensados se fabrican con aleaciones de materiales especiales pero con las mismas características termoe- léctricas de las termocuplas con las que deban trabajar , 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 letra: X: mismo material que la termocupla ( idéntica aleación ) C: material especial Tercera letra: muchas aleaciones compensadas se designan con una tercera.
Termocuplas según las Normas
IEC-584 y DIN 43 710
Cables compensados según
normas IEC y DIN
Tabla 1: Termocuplas según IEC 584- Termocupla Rango de uso ConductorPositivo ConductorNegativo
Tipo J , ( Fe - CuNi ) - 40 a + 750°C Negro Blanco Tipo T , ( Cu - CuNi ) - 40 a + 350°C Marrón Blanco Tipo K , ( NiCr - Ni ) - 40 a + 1.200°C Verde Blanco Tipo E , ( NiCr - CuNi ) - 40 a + 900°C Violeta Blanco Tipo N , ( NiCrSi - NiSi ) - 40 a + 1.200°C Púrpura Blanco Tipo S , ( Pt 10% Rh - Pt ) - 40 a + 1.600°C Naranja Blanco Tipo R , ( Pt 13% Rh - Pt ) 0 a + 1.600°C Naranja Blanco Tipo B , ( Pt 30% Rh - Pt 6% Rh) +600 a 1700°C --- ---
Construcción y aplicación de termocuplas
Principios Básicos de Termocuplas
Ejemplo: : cable de extensión para termocupla tipo K, aleación ídem termocupla : cable compensado para termocupla tipo R, aleación especial, material tipo A.
Los cables compensados se proveen siempre en clase 2. Como puede verse en la tabla 5, 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 espe-cificada. 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 electromotrices de las termocuplas, las tolerancias están indicadas en V y también en ºC pero solo aplicable a la temperatura
que se indica en la columna de la derecha. Esto significa que por ejemplo: Una termocupla tipo J conectada mediante un cable de extensión tipo JX clase 2. Si la medición de temperatura se mantiene constante en 500 ºC y los terminales y el cable de extensión tienen a lo largo de su longitud una variación de tempe- raturas desde -25ºC hasta 200 ºC, la temperatura indicada no varia más de ± 2,5 ºC.
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, para más información por favor consulte la hoja técnica 00700.
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 "plana" característica de la termocupla tipo B, se puede utilizar conductor de cobre en lugar de cable compe- nsado. De acuerdo a la DIN 43714 los cables serán retorcidos entre ellos para mejor protección de campos electromagnéticos. Se puede proveer protección adicional por blindaje de cinta o pantalla también puede ser provisto.
La resistencia de aislación entre los conductores y entre conductor y cubierta no debe ser menor a 100 megohm / m a la máxima tempe- ratura de operación. La tensión de prueba debe ser superior a 500 VCA.
KX
RCA
Código de colores para cables compensados y de extensión
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 solo se consigue con las aleaciones que son iguales a las de sus termocuplas (cables de extensión). m
Tabla 2: Termocuplas según DIN 43 710
Termocupla Rango de uso ConductorPositivo ConductorNegativo
Tipo L , Hierro vs. Cobre – Níquel 600°C Rojo Azul
Tipo U , Cobre vs. Cobre – Níquel -40 a 600°C Rojo Marrón
Tabla 3: Tolerancias según IEC 584-
Termocupla Tolerancias
Fe-CuNi J
Clase 1 Clase 2 Clase 3
-40 a 750 °C : ± 0.004 • t -40 a 750 °C : ± 0.0075 • t
o ± 1.5°C o ± 2.5°C
Cu-CuNi T
Clase 1 Clase 2 Clase 3
-40 a 350 °C : ± 0.004 • t -40 a 350 °C : ± 0.0075 • t -200 a 40 °C : ± 0.015 • t
o ± 0.5°C o ± 1.0°C o ± 1.0°C NiCr-Ni Y NiCrSi-NiSi
K
N
Clase 1 Clase 2 Clase 3
-40 a 1000 °C : ± 0.004 • t -40 a 1200 °C : ± 0.0075 • t -200 a 40 °C : ± 0.015 • t
o ± 1.5°C o ± 2.5°C o ± 2.5°C
NiCr-CuNi E
Clase 1 Clase 2 Clase 3
-40 a 800 °C : ± 0.004 • t -40 a 900 °C : ± 0.0075 • t -200 a 40 °C : ± 0.015 • t
o ± 1.5°C o ± 2.5°C o ± 2.5°C Pt10Rh-Pt Y Pt13Rh-Pt
S
R
Clase 1 Clase 2 Clase 3
0 a 1600 °C : ± [1+(t-1100) • 0.003] -40 a 1600 °C : ± 0.0025 • t
o ± 1.0°C o ± 1.5°C
Pt30Rh- Pt6Rh B
Clase 1 Clase 2 Clase 3
+600 a 1700°C : ± 0.0025 • t +600 a 1700°C : ± 0.005 • t
o ± 1.5°C o ± 4.0°C
Tabla 4: Tolerancias según DIN 43 710 (1977)
Termocupla Tipo Tolerancias
Cu-CuNi U -100 a 400 °C : ±400 a 600 °C : ± 0.75°C^ 3°C
Fe-CuNi L 100 a 400 °C : ±400 a 900 °C : ± 0.75°C^ 3°C
Principios Básicos de Termocuplas
Elección de vainas y tubos de protección
Cabezales de conexión:
T e r m o c u p l a s c o n c a b l e compensado
Termocuplas compactadas
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, mas conside- raciones de abrasión, vibración, porosidad, velocidad de fluido, presión, costo y requerimientos de reemplazo y montaje. Se dispone de vainas para sensores con diámetros varios y de las más amplia variedad ya sean del tipo metálicas o cerámicas. Los tubos de protección son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un montaje 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, como ser porcelana Mullite, Sillimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras aleaciones. 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 y el tubo exterior se hace de grafito , carburo de silicio o Silimanita porosa, para lograr resistencia mecánica y protección contra shock térmico
Para los cabezales de conexión, la norma DIN 43729 define las formas A y B las cuales difieren levemente en las medidas y en la forma. Existen a c t u a l m e n t e e n e l m e r c a d o numerosos tipos y modelos de cabezales los cuales difieren en forma y en tamaño dependiendo de las aplicaciones para los que fueron diseñados.
: Cabezal normalizado modelo DIN A según DIN 43729.
En esta construcción la termocupla es conectada directamente al cable compensado e inserta en el tubo de protección. Por lo general la temperatura máxima de uso en estas construcciones está determinada por el material del cable compensado que se utilice. En la siguiente tabla se aprecian las temperaturas límite para los materiales de aislación de los cables compensados.
E x i s t e n m u c h a s d i f e r e n t e s construcciones y por lo general son diseñadas a pedido del cliente.
Construcción de una termocupla con cable compensado. Una de las versiones más frecuentes es la construcción de tipo bayoneta la cuál posee un resorte por el cuál no solo se desliza la bayoneta variando así la longitud de inserción sino que actúa como protección del cable compensado.
Termocuplas de acople rápido con sujeción por bayoneta, en sus dos versiones, recta y acodada.
Las termocuplas compactadas se construyen a partir de un tubo de acero inoxidable u otra aleación de aproximadamente un metro de largo y algunos centímetros de diámetro interno en el cuál se posicionan los alambres termopares y se aíslan con óxido de magnesio , trefilado el conjunto y reduciendo así el diámetro hasta alcanzar de esta forma las medidas estándar comprendidas entre 0.5 y 15 mm de diámetro exterior.
Construcción esquemática de una termocupla compactada. La 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.
Fig. 3
Fig. 4:
Fig. 5:
Fig. 6:
Material Temperaturamáxima en °C PVC 80 Silicona 180 PTFE 260 Fibra de vidrio 350
CONEXION A PROCESO JUNTA DE CONEXION
TUBO DE PROTECCION
CABLE COMPENSADO
CABLE COMPENSADO
ACOPLE BAYONETA
RESORTE DE COMPRESION TUBO DE PROTECCION JUNTA DE MEDICION
PROTECCION FLEXIBLE
ALAMBRE DE TERMOCUPLA OXIDO DE MAGNESIO JUNTA DE MEDICION
Principios Básicos de Termocuplas
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, aproxi-
madamente tres veces el diámetro
de la protección y tienen una gran
respuesta al impacto y a la
vibración.
Muchas veces no precisan de
cables de extensión o compen-
sados ya que se pueden continuar
hasta las borneras de conexión o
los mismos equipos de medición,
aprovechando su flexibilidad como
cables de extensión y tiene la
ventaja de poder atravesar zonas
de alta temperatura y alta presión.
Tabla de valores en mV de termocupla tipo T (Cu-Cuni) según Norma IEC 584 T (°C) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 - -200 -5.603 -5.753 -5.889 -6.007 -6.105 -6.181 -6.232 -6. -100 -3.378 -3.3656 -3.923 -4.177 -4.419 -4.648 -4.865 -5.069 -5.261 -5. 0^0 -0.383^ -0.757^ -1.121^ -1.475^ -1.819^ -2.152^ -2.475^ -2.788^ -3.
T (°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-10.
-5.
-200 -100 0 100 200 300 400 Temperatura °C
Señal en mV
Termocupla tipo T (Cu-CuNi)
Clase Rango de operación Tolerancia ⎠ ±
Clase 1 -40 ... +350 ⎠C 0.5 ⎠C o 0.004. |t| Clase 2 -40 ... +350 ⎠C 1 ⎠C o 0.0075. |t| Clase 3 -200 ... +40 ⎠C 1 ⎠C o 0.015. |t|
Principios Básicos de Termocuplas
Temperatura °C
Señal en mV
Termocupla tipo K (NiCr-Ni)
Clase Rango de operación Tolerancia ⎠ ±
Clase 1 -40 ... +1000 ⎠C 1.5 ⎠C o 0.004. |t| Clase 2 -40 ... +1200 ⎠C 2.5 ⎠C o 0.0075. |t| Clase 3 -200 ... +40 ⎠C 2.5 ⎠C o 0.015. |t|
Temperatura °C
Señal en mV
Termocupla tipo E (NiCr-CuNi)
Clase Rango de operación Tolerancia ⎠±
Clase 1 -40 ... +800 ⎠C 0.5 ⎠C o 0.004. |t| Clase 2 -40 ... +900 ⎠C 1 ⎠C o 0.0075. |t| Clase 3 -200 ... +40 ⎠C 1 ⎠C o 0.015. |t|
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatura °C
Senal en mV
Termocupla tipo S (PtRh-Pt)
Clase Rango de operación Tolerancia ⎠±
Clase 1 0 ... +1600 ⎠C 1 ⎠C o [1+(t-1100).0.003] ⎠C Clase 2 0 ... +1600 ⎠C 1.5 ⎠C o 0.0025.t Clase 3 - -
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Temperatura °C
Señal en mV
Termocupla tipo R (PtRh10%-Pt)
Clase Rango de operación Tolerancia ⎠ ±
Clase 1 0 ... +1600 ⎠C 1 ⎠C o [1+(t-1100).0.003] ⎠C Clase 2 0 ... +1600 ⎠C 1.5 ⎠C o 0.0025.t Clase 3 - -
