Cómo Realizar una Medición con Termopares

Este documento es parte de la Guía práctica para las medidas más comunes centralizada en este portal de recursos.

Descripción de Temperatura y Termopar

La temperatura es una medición de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, que se expresa en unidades de grados o en una escala estándar. Usted puede realizar mediciones de temperatura de muchas formas diferentes, que varían con la exactitud y costo del equipo. Las termopares son unos de los sensores más comunes empleados en la medición de temperatura, ya que son relativamente económicos brindando exactitud y además pueden operar sobre un amplio rango de temperaturas.

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Una termocupla se crea siempre que dos metales diferentes se tocan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje en circuito abierto como una función de la temperatura. Este voltaje termoeléctrico se conoce como el voltaje de Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien lo descubrió en el año de 1821. El voltaje es no lineal con respecto a la temperatura. Sin embargo, para pequeños cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal, es decir

      (1)

Donde ΔV es el cambio en el voltaje, S es el coeficiente de Seebeck y dT es el cambio en la temperatura.

Están disponibles muchos tipos de termopares que se designan mediante letras mayúsculas que indican la composición de acuerdo con las convenciones del American National Standards Institute (ANSI). Por ejemplo, una termopar tipo-J posee un conductor de hierro y uno de constantan (una aleación de cobre-níquel ).  Otros tipos de termopares son las B, E, K, N, R, S y T.

Cómo Realizar una Medición con una termopar

Marco Teórico

Para entender mejor cómo realizar una medición con una termopar, usted primero debe entender como funciona ésta. La primera parte de esta sección explica la teoría básica sobre las termopares, mientras la última parte describe cómo realizar la conexión de la termopar a un instrumento y como hacer la medición de temperatura.

Para medir el voltaje de Seebeck en una termopar, usted no puede simplemente conectar la termopar a un voltímetro u otro sistema de medición, ya que la conexión de los cables de la termopar con el sistema de medición crea circuitos termoeléctricos adicionales.

Figura 1. termopar Tipo J

Considere el circuito mostrado en la Figura 1, en el cual una termopar tipo J se encuentra en la llama de una vela, que es la temperatura que se desea medir. Los dos cables de la termopar están conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisición de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales – J1, J2 y J3. J1, la unión de la termopar, genera un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura en la llama de la vela. J2 y J3 poseen individualmente su propio coeficiente de Seebeck y generan su propio voltaje termoeléctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisición de datos. Para determinar la contribución en el voltaje por J1, usted requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 así como las relaciones voltaje-a-temperatura de estas uniones. Entonces usted podrá sustraer las contribuciones de las uniones parásitas J2 y J3 del voltaje medido para la unión J1.

Las termopares requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío” parásitas no deseadas. El método más común es medir la temperatura en la unión de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parásitas. Este proceso se denomina compensación por unión-en-frío. Usted puede simplificar el cálculo de compensación por unión-en-frío aprovechando algunas características de las termopares.

Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, usted puede ver que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unión-en-frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones-en-frío, J2 y J3.

De acuerdo con la Ley de termopar para Metales Intermedios, que se ilustra en la Figura 2, al insertar cualquier tipo de cable dentro del circuito de una termopar no se tiene efecto en la salida siempre y cuando ambos terminales del cable estén a la misma temperatura, es decir, sean isotérmicos.

Figura 2. Ley de termopar para Metales Intermedios

Considere el circuito de la Figura 3. Este circuito es similar al descrito previamente en la Figura 1, pero en esta ocasión un pequeño cable de constantan se ha insertado justo antes de la unión J3 y se asume que las uniones de éste poseen temperaturas idénticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 están a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 3 es eléctricamente equivalente al circuito de la Figura 1. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 3 también aplica para el circuito mostrado en la Figura 1.

Figura 3. Inserción de un Cable Extra en la Región Isotérmica

En la Figura 3, las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobre-constantan); ya que ambas están en la región isotérmica, J2 y J4 también están a la misma temperatura. Debido a la dirección de la corriente a través del circuito, J4 contribuye con un voltaje de Seebeck positivo y J2 contribuye con uno igual pero de signo negativo. Por tanto, los efectos de las uniones se cancelan entre sí, y la contribución total al voltaje medido es de cero. Las uniones J1 y J3 son ambas de hierro-constantan, pero ellas pueden estar a temperaturas diferentes ya que no comparten una región isotérmica. Ya que están a temperaturas diferentes, las uniones J1 y J3 producen un voltaje de Seebeck pero con magnitudes diferentes. Para compensar la unión-en-frío J3, su temperatura se mide y la contribución de voltaje se resta de la medición de la termopar.

Usando la notación V_Jx(T_y) para indicar el voltaje generado por la unión J_x a la temperatura T_y, el problema general de la termopar se reduce a la siguiente ecuación:

V_MEAS = V_J1(T_TC ) + V_J3(T_ref )       (2)

donde V_MEAS es el voltaje medido por el dispositivo de adquisición de datos, T_TC es la temperatura de la termopar en J1, y T_ref es la temperatura de la unión de referencia.

Note que en la Ecuación 2, V_Jx(T_y) es un voltaje generado a la temperatura T_y con respecto a la misma temperatura de referencia. Mientras V_J1 como V_J3 sean funciones de temperaturas relativas a la misma temperatura de referencia, la Ecuación 2 será válida. Como se dijo antes, por ejemplo, las tablas de referencia de termopares NIST son generadas con la referencia de la unión-en-frío a 0 °C.

Ya que la unión J3 es del mismo tipo de la unión J1 pero con contribuciones opuestas de voltaje, V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref ). Ya que V_J1 es el voltaje generado por el tipo de termopar usado en la prueba, usted puede renombrar este voltaje como V_TC. Por tanto, la Ecuación 2 es rescribe de la siguiente forma:

V_MEAS = V_TC (T_TC ) - V_TC (T_ref )           (3)

Por consiguiente, midiendo V_MEAS y T_ref , y conociendo la relación voltaje-a-temperatura de la termopar, usted puede determinar la temperatura en la unión caliente de la termopar.

Existen dos técnicas para implementar compensación de uniones-en-frío – compensación por hardware y compensación por software. Ambas técnicas requieren que la temperatura en la unión de referencia sea medida con un sensor de lectura directa. Un sensor de lectura directa posee una salida que depende únicamente de la temperatura en el punto de medición. Sensores tipo semiconductor, termistor y RTDs se emplean comúnmente para medir la temperatura de la unión de referencia.

En la compensación por hardware, se inserta una fuente variable de voltaje dentro del circuito para cancelar los voltajes termoeléctricos parásitos. La fuente variable de voltaje genera un voltaje de compensación de acuerdo con la temperatura ambiente, para así poder adicionar el voltaje correcto para cancelar las señales termoeléctricas indeseadas. Cuando se cancelan estas señales parásitas, la única señal que mide el dispositivo de adquisición de datos es el voltaje desde la unión de la termopar. Con la compensación por hardware, la temperatura en los terminales del sistema de adquisición de datos es irrelevante ya que los voltajes parásitos de la termopar se han cancelado. La mayor desventaja de la compensación por hardware es que cada tipo de termopar debe poseer un tipo separado de circuito que pueda adicionar el voltaje correcto de compensación; este hecho hace que el circuito sea bastante costoso. La compensación por hardware es generalmente menos exacta que la compensación por software.

Como alternativa, usted puede usar compensación por software para la unión-en-frío. Después que un sensor de lectura directa mida la temperatura en la unión de referencia, el software puede adicionar el valor apropiado al voltaje medido con el fin de eliminar los efectos termoeléctricos parásitos. Recuerde la Ecuación 3, la cual establece que el voltaje medido, V_MEAS, es igual a la diferencia entre los voltajes en la unión caliente (termopar) y la unión en frío.

Los voltajes de salida de una termopar con altamente no lineales. El coeficiente de Seebeck puede variar por un factor de tres o más en el rango de temperatura de operación de algunas termopares. Por esta razón, usted debe realizar aproximación polinómica para la curva voltaje-contra-temperatura de la termopar o usar una tabla de búsqueda.

Conexión de una termopar a un Instrumento

Para esta sección, considere un ejemplo en el cual se emplea un chasis NI cDAQ-9172 y un módulo de termopar de Series C NI 9211. 

Procedimientos similares aplican para la conexión de una termopar a diferentes instrumentos (ver Figura 4).

El equipo requerido incluye los siguientes:

-          Chasis USB de Alta-Velocidad de ocho ranuras cDAQ-917 para NI CompactDAQ

-          Módulo de entrada de termopares NI 9211 de cuatro canales, 14 S/s, 24 bits y ±80 mV

-          termopar tipo J

Figura 4. Sistema NI CompactDAQ

 

El NI 9211 posee un conector removible, con 10 terminales de tornillo, que provee las conexiones para cuatro canales de entrada para termopares. Cada canal posee un terminal al cual usted puede conectar el cable positivo de la termopar, TC+, y un terminal al cual puede conectar el cable negativo, TC–. El NI 9211 también posee un terminal común, COM, el cual está conectado internamente a la tierra aislada de referencia del módulo. Refiérase a la Figura 5 para la asignación de terminales de cada canal y a la Figura 6 para el esquema de conexiones.

 

Figura 5. Asignación de Terminales

 

 

Figura 6. Esquema de Conexiones

 

Viendo su Medición: NI LabVIEW

Ahora que ha conectado su termopar al dispositivo de medición, puede usar el software de programación gráfica LabVIEW para transferir los datos desde el interior del computador hacia objetivos de visualización y análisis.

 

La Figura 7 muestra un ejemplo de despliegue para datos de temperatura medida dentro del ambiente de programación LabVIEW.

 

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Figura 7. Panel Frontal de LabVIEW Mostrando Datos de Temperatura

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