En este artículo, examinaremos brevemente la unión fría del termopar y la compensación de la unión fría. Para poder abordar la unión fría, primero necesitamos echar un vistazo rápido a la teoría del termopar y cómo funciona un termopar.
No profundizaremos mucho en la ciencia teórica, sino que nos centraremos más en las consideraciones prácticas, el tipo de cosas que se deberían saber cuándo se trabaja con mediciones de termopar y calibraciones en una planta de procesos típica.
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La «unión fría» de un termopar suele también denominarse «unión de referencia», pero tengo la impresión de que la gente utiliza con más frecuencia «unión fría», por lo que utilizaremos este término en este artículo.
Los termopares son sensores de temperatura muy comunes en las plantas de procesos. Los termopares ofrecen una serie de ventajas que hace que sean muy utilizados. Se pueden utilizar para medir temperaturas muy elevadas, mucho mayores que con RTD (detectores o sensores de temperatura resistivos). El termopar es también un sensor muy resistente, no se rompe con facilidad. Aunque los termopares no tienen tanta exactitud
como los sensores RTD, sí tienen la exactitud suficiente para muchas aplicaciones. Los termopares son también sensores relativamente baratos y el circuito de medición del termopar, a diferencia del circuito de un RTD, no requiere una corriente de excitación, por tanto, el circuito es, en este sentido, más fácil de hacer. Existen muchos tipos de termopar
optimizados para diferentes aplicaciones.
Un sensor del tipo termopar parece muy fácil de utilizar, tan solo dos cables, ¿qué puede ir mal?
Pero considerando la unión fría, y todas las uniones del circuito de medición, no siempre es tan sencillo como parece. Empezaremos ahora abordando directamente la unión fría, pero antes unas pocas palabras más sobre la teoría del termopar que ayudarán a entender mejor todo lo relacionado con la unión fría.
Gráfico 1: Imagen del principio simplificado de un termopar
En la imagen anterior, el «Material 1 y 2 del termopar» representa los dos materiales distintos de los que está fabricado el termopar. «T1» es el extremo caliente del termopar, es decir, el punto que se utiliza para medir la temperatura. Los dos «Tcj» corresponden a las temperaturas de las uniones frías.
La explicación anterior está algo simplificada, ya que en realidad el termovoltaje lo generan los gradientes de temperatura en el cable del termopar, a lo largo de todo el recorrido entre las uniones «caliente» y «fría». Por tanto, no son los puntos de unión los que en realidad generan el voltaje, sino el gradiente de temperatura a lo largo del cable. Es más fácil de entender si pensamos que el termovoltaje se genera en las uniones, en las frías y en las calientes. Quizá más adelante, en un futuro artículo, se publique una teoría del termopar más científica, pero en esta nos centraremos en las consideraciones prácticas.
Existen muchos tipos de termopar que se fabrican con materiales y aleaciones diferentes. Diferentes materiales producen distintas sensibilidades, generando diferentes valores de termovoltaje a la misma temperatura, y ello afectará a otras características como la máxima temperatura.
Se han estandarizado varios tipos de termopar y se han denominado conforme a los materiales concretos utilizados. Las denominaciones suelen ser nombres muy breves, a menudo tan solo una letra, como los tipos K, R, S, J, etc. En la tabla siguiente se enumeran algunos de los termopares más frecuentes y sus materiales:
La buena noticia es que los cables del termopar se codifican por colores para facilitar su identificación.
La mala noticia es que existen muchas normas distintas referentes a los códigos de color y difieren entre sí.
Las normas principales son IEC60584-3 (Internacional) y ANSI (Estados Unidos), pero existen muchas otras, como las normas japonesas, francesas, británicas, holandesas, alemanas, etc.
Así que, lamentablemente, resulta algo complicado reconocer el tipo de termopar por el color de los cables.
Del mismo modo que los distintos termopares están fabricados con diferentes materiales, el termovoltaje también difiere entre ellos, como se muestra en la imagen siguiente. Existe una gran diferencia en el voltaje generado a la misma temperatura entre los diferentes tipos.
Así que si se precisa medir una temperatura inferior, evidentemente es mejor utilizar los tipos más sensibles, ya que ofrecen un voltaje mayor que resulta más fácil de medir. Pero si se requiere medir a temperaturas elevadas, se debe escoger entre los tipos menos sensibles que puedan utilizarse con dichas temperaturas.
Gráfico 2: Emf versus temperatura
El coeficiente Seebeck revela en qué medida cambia el voltaje del termopar en comparación con un cambio de temperatura. Se explica más adelante.
La imagen anterior que muestra las diferentes sensibilidades entre los diferentes termopares, también explica por qué un calibrador de termopares suele tener especificaciones de exactitud distintas para cada tipo de termopar. Un dispositivo de medición o calibrador, suele tener la exactitud especificada para la medición de voltaje. Por ejemplo, puede tener una exactitud de 4 microvoltios. Esta exactitud de 4 microvoltios, equivale a una exactitud de temperatura distinta en función del tipo de termopar, debido a la sensibilidad que tiene cada termopar.
Veamos los dos extremos: los tipos E y B a una temperatura de 200 °C. La sensibilidad (coeficiente Seebeck) del tipo E a 200°C es de unos 74 μV/ °C, mientras que el coeficiente del tipo B a 200 °C es de unos 2 μV/ °C. Por tanto, existe una diferencia de 37 veces entre ambos.
Por ejemplo, si su dispositivo de medición puede medir con una exactitud eléctrica de 4 μV, significa que ofrece una exactitud de 0,05 °C (4 μV dividido entre 74 μV/°C) para el tipo E a 200°C, y una exactitud de 2 °C (4 μV dividido entre 2 μV/°C) para el tipo B a 200 °C.
De este modo podemos ver por qué las especificaciones de exactitud son tan distintas para un dispositivo de medición/ calibrador para los diferentes tipos de termopar.
Si se consulta la ficha técnica de un calibrador de temperatura y tiene la misma especificación de exactitud para todos los tipos de termopar ¡cuidado! Normalmente esto significa que las especificaciones / la ficha técnica se han redactado en el departamento de marketing y no en el departamento técnico... ;-)
La verdad es que sería una especificación poco realista.
Existen también algunas normas (por ejemplo, la AMS2750E) que requieren la misma exactitud para todos los tipos de termopar, y en la práctica no tiene mucho sentido debido a esta gran diferencia en la sensibilidad entre los diferentes tipos.
Anteriormente ya hemos mencionado el coeficiente Seebeck. Se trata de la sensibilidad del termopar, es decir, explica cuánto voltaje se genera por cambio de temperatura.
En la imagen siguiente se muestran los coeficientes Seebeck de distintos tipos de termopar:
Gráfico 3: Coeficiente Seebeck
Antes hemos mostrado la imagen del principio simplificado de un termopar según la cual el termovoltaje se genera en el extremo «caliente», donde los dos distintos conductores están conectados entre sí. La gran pregunta que deberíamos hacernos ahora es: ¿Y qué sucede con el otro extremo de los
cables?
¡Buena pregunta! Me gusta que nos hagamos esta pregunta... Cuando se mide el voltaje del termopar, podríamos conectar los cables del termopar a un multímetro, ¿verdad? ¡Pues en realidad no! El material de conexión del multímetro suele ser cobre o chapado en oro, por tanto, es un material distinto del material del termopar, lo que significa que ¡estamos creando dos nuevos termopares en las conexiones del multímetro!
Mostrémoslo en una imagen:
Gráfico 4: Unión fría
En la imagen anterior, el material 1 y el material 2 son los dos materiales de los hilos del termopar que lo forman. El «extremo caliente» es el punto donde se sueldan ambos y es el punto que mide la temperatura del proceso, donde se genera el voltaje U1. Este U1 es lo que queremos medir. En los puntos de «unión fría», el termopar está conectado al voltímetro, cuyas conexiones son de diferentes materiales, pues ahora en esta conexión existe el material 3. En estas conexiones se generan los termovoltajes U2 y U3. Estos voltajes U2 y U3 no los queremos medir, y queremos deshacernos de ellos o bien compensarlos.
Como podemos observar en la imagen anterior, en realidad se está midiendo el voltaje de los tres (3) termopares conectados en serie. Es evidente que nos gustaría medir solo el voltaje / la temperatura de la unión «caliente» y no de las dos otras uniones.
¿Qué se puede hacer?
De algún modo, hay que eliminar o compensar los termopares creados en las uniones frías. Existen diferentes formas de hacerlo. Vamos a verlo a continuación.
Por su naturaleza, una unión de termopar no genera ningún termovoltaje cuando está a una temperatura de 0 °C (32 °F).
Por tanto, podríamos hacer la unión fría a esta temperatura, por ejemplo, en un baño de hielo o en un termobloque que nos proporcione una buena exactitud y estabilidad. Podemos conectar los cables del termopar a cables de cobre en el baño de hielo, y no se generará ningún termovoltaje en esa conexión. En este caso ya no nos tendríamos que preocupar de la unión fría.
Las conexiones deben estar eléctricamente aisladas del agua en el baño de hielo para evitar fugas de corriente que den lugar a errores, o la posible generación de corrosión.
Es un método bastante exacto que suelen utilizar los laboratorios de calibración, pero no resulta muy práctico en una planta de procesos, por lo que no suele utilizarse.
Gráfico 5: Unión fría en baño de hielo
Ejemplo: El termopar de tipo N está conectado como se muestra en la imagen. El voltímetro muestra 20808 μV. ¿Cuál es la temperatura medida?
E = EN(tU1) – EN(tr)
Donde:
• E = voltaje medido = 20808 µV
• EN(tU1) = voltaje generado en la unión caliente
• EN(tr) = voltaje generado en la unión fría (de referencia) = 0 µV (IEC 60584 tipo N, 0 °C)
• EN(tU1) = E + EN(tr) = 20808 µV + 0 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 tipo N, 20808 µV)
Por tanto, la temperatura es de 605 °C.
Dado que el baño de hielo no resulta práctico, también se puede hacer la conexión de la unión fría a otra temperatura fija conocida. Se puede disponer de una pequeña caja de conexiones que incluya un control de temperatura que mantenga la caja siempre a una temperatura determinada. Normalmente, la temperatura es mayor que la temperatura ambiental, por lo que la caja solo necesita calefacción, no refrigeración.
Cuando se conoce la temperatura a la que está la unión fría, y también se conoce el tipo de termopar, se puede calcular y compensar el termovoltaje de la unión fría.
Muchos dispositivos de medición o calibradores de temperatura incluyen una función que permite introducir la temperatura de la unión fría y el dispositivo hará todos los cálculos por nosotros y también realizará la compensación.
Gráfico 6: Unión fría a una temperatura fija conocida
Ejemplo:
El termopar de tipo N está conectado como se muestra en la imagen. El voltímetro muestra 19880 μV. La temperatura de la unión fría (de referencia) es de 35 °C. ¿Cuál es la temperatura medida?
E = EN(tU1) – EN(tr)
Donde:
• E = voltaje medido = 19880 µV
• EN(tU1) = voltaje generado por el extremo caliente
• EN(tr) = voltaje generado en la unión de referencia (o fría) = 928 µV (IEC 60584 tipo N, 35 °C)
• EN(tU1) = E + EN(tr) = 19880 µV + 928 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 tipo N, 20808 µV)
Por tanto, la temperatura medida es de 605 °C.
Hay que tener muy presente que los cálculos del termopar siempre deben realizarse en voltaje. Es un error bastante común buscar en la tabla el valor del voltaje medido y añadir la temperatura de la unión fría. En este caso, la temperatura correspondiente a los 19880 μV medidos según la norma IEC
60584 es de 581,2 °C. Los cálculos utilizando los valores de temperatura darían 581,2 °C + 35 °C = 616,2 °C. El error es de + 11,2 °C.
Si no es posible ajustar la temperatura de la unión fría como en el ejemplo anterior, de todas formas, podremos medir la temperatura de la unión fría con una sonda de temperatura. Entonces se puede compensar el efecto de la unión fría, pero la compensación es un poco más difícil ya que se necesita medir la temperatura de la unión fría continuamente y, si se conoce su tipo de termopar, hacer los cálculos para conocer el efecto de la unión fría.
Por suerte, muchos calibradores de temperatura incluyen una función que permite utilizar una sonda de temperatura para medir la temperatura de la unión fría y el dispositivo realiza todas las compensaciones y cálculos automáticamente.
Gráfico 7: Medición de temperatura de la unión fría
Hemos mencionado en el ejemplo anterior que era difícil ya que debíamos medir y calcular la compensación continuamente, pero también podríamos dejar que lo hiciese el dispositivo de medición automáticamente.
El dispositivo de medición (ya sea un transmisor, una tarjeta de entrada del DCS o un calibrador de temperatura) puede estar midiendo la temperatura de la unión fría de forma continua y realizar automáticamente una compensación en línea del error de la unión fría. Dado que el dispositivo de medición también conoce el tipo de termopar (pues lo hemos seleccionado en el menú), puede hacer la compensación de forma automática y de manera continua.
Esta es, naturalmente, la forma más fácil y práctica de compensar la unión fría en mediciones y calibraciones normales, ya que no tendremos que preocuparnos de la unión fría y podemos dejar que el equipo lo haga por nosotros. Tan solo debemos conectar el cable del termopar al dispositivo.
Los calibradores de temperatura Beamex también soportan este tipo de compensación automática.
Gráfico 8: Compensación automática en línea en el dispositivo de medición
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Varios calibradores de temperatura soportan todos los métodos de compensación de uniones frías mencionados anteriormente.
Echa un vistazo al calibrador de temperatura Beamex MC6-T. Puede usarse también para calibrar termopares y tiene una compensación automática de la unión fría. También ofrece una conexión totalmente versátil soportando diferentes tipos de conector de termopar (conector de termopar grande, mini, cable pelado, etc..).
Publicación original: Thermocouple Cold (Reference) Junction Compensation
Publicado: Septiembre 2017