jueves, 9 de febrero de 2023 · 0 min read
Medición de temperatura con Termopares
En este artículo discutiremos cómo se mide la temperatura con termopares hoy, con suficiente detalle para que usted:
Vea qué son los termopares y cómo funcionan
Aprenda los tipos básicos de termopares disponibles y cómo se usan
Comprenda cómo los termopares pueden interactuar con su sistema DAQ
¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!
Introducción
¿Sabía que la temperatura es la medida física más registrada? Conocer la temperatura es fundamental para el correcto funcionamiento de todo, desde el cuerpo humano hasta el motor de un automóvil, y todo lo demás.
Necesitamos conocer la temperatura de los objetos para un número casi infinito de propósitos. La temperatura a menudo es un indicador de que algo está mal: tal vez tiene fiebre, o las pastillas de freno de su automóvil están a punto de fallar, o una turbina en una planta de energía está funcionando demasiado caliente. Tienes la idea.
La temperatura se mide con uno o más tipos de sensores de temperatura. Hay varios disponibles en el mercado hoy:
Sensores de termopar
Sensores RTD
Sensores de termistor
Sensores infrarrojos de temperatura
¿Qué es un termopar?
Un termopar es un sensor que se usa para medir la temperatura. El termopar es un sensor muy popular debido a su costo relativamente bajo, intercambiabilidad, amplio intervalo de medición y confiabilidad.
Los termopares se usan ampliamente en todas las industrias, desde la automatización de fábricas y el control de procesos hasta automotriz, aeroespacial, militar, producción de energía, fabricación de metales, ciencias médicas e innumerables más.
Tienen tipos de conector estándar, lo que los hace intercambiables y fáciles de obtener. En el extremo de medición del sensor, pueden ser tan simples como los dos metales retorcidos, o pueden encerrarse dentro de una sonda resistente para su uso en entornos industriales difíciles.
Aunque los termopares son bastante populares, con ellos no se logran precisiones mucho mejores que 1 ° C. Pero independientemente, debido a sus muchas ventajas, siguen siendo el tipo de sensor más popular utilizado para mediciones industriales en la actualidad.
¿Cómo funciona un termopar?
Los termopares se basan en el efecto Seebeck, que dice que cuando un par de metales diferentes en contacto entre sí en cada extremo están sujetos a cambios de temperatura, crean un pequeño potencial de voltaje. Y lo hacen de forma pasiva, es decir, no necesitan ser alimentados por un acondicionador de señal.
¿Cómo es esto posible? ¿Estamos creando energía libre de la nada? Para nada, ¡es solo física!
Considere que los electrones transportan electricidad y calor. Tome un pedazo de alambre de cobre desnudo y cierre la mano alrededor de él en un extremo. Energizado por el calor de su piel, los electrones se propagarán desde el área donde lo está tocando hasta el extremo más alejado, creando un gradiente de temperatura a lo largo del cable. El calor se ha transformado en energía.
Este fenómeno fue descubierto originalmente por el científico italiano Alessandro Volta (para quien llamamos "el voltio") en 1794. Pero el físico alemán Thomas Johann Seebeck lo redescubrió en 1821. Observó que cuando se unían cables hechos de dos metales diferentes en cada extremo, y hubo una diferencia de temperatura entre estos extremos, ese pequeño potencial de voltaje se creó en las uniones.
Llamamos a este potencial el Voltaje Seebeck y la creación de este potencial a partir de la energía térmica el "Efecto Seebeck". Según las observaciones de Seebeck hace 200 años, los físicos pueden determinar el coeficiente de Seebeck, es decir, la magnitud del voltaje termoeléctrico inducido por las diferencias de temperatura en un material determinado.
Décadas de investigación, prueba y error han llevado a la comprensión actual de qué metales nos dan los mejores resultados cuando los combinamos para crear un termopar. Las diferentes combinaciones proporcionan diferentes intervalos de medición efectivos. Y, por supuesto, cada metal tiene propiedades ambientales, lo que determina aún más dónde y cómo se pueden usar.
La ciencia detrás de los termopares es bastante madura ahora, y tenemos "tipos" estándar de la industria disponibles en el mercado hoy en día, como el Tipo K, que combina metales de cromo y alumel, proporcionando un intervalo de medición muy amplio. Más información sobre los tipos de termopares a continuación.
Suena muy simple: tome un par de cables de termopar y conecte un extremo a su sistema DAQ o un voltímetro y comience a medir la temperatura, ¿verdad? Bueno, hay un poco más que eso.
Hay dos pasos adicionales que deben tomarse para convertir la salida de un sensor de termopar en una lectura de temperatura utilizable: compensación de unión fría y linealización. Veamos cada uno de estos para ver cómo funcionan y qué hacen.
Compensación de Unión Fría
Para realizar una medición absoluta, el termopar debe "referenciarse" a una temperatura conocida en el otro extremo de los cables del sensor. En los viejos tiempos, esta referencia sería un baño de hielo de agua destilada casi congelada, que tiene una temperatura conocida de 0 ° C (32 ° F). Pero dado que esto es incómodo de llevar, se creó otro método usando un pequeño termistor o RTD protegido del ambiente para medir la temperatura ambiente. Esto se llama "compensación de unión fría" (CJC).
La "unión caliente" es el extremo de medición del conjunto de termopar, y el otro extremo es la "unión fría", también conocida como la unión de termopar de referencia, donde se encuentra el chip CJC. Entonces, aunque la temperatura de la unión fría puede variar, proporciona una referencia conocida por la cual el sistema de medición puede derivar la temperatura en el extremo de medición del sensor con una precisión muy buena y repetible.
Linealización
La pequeña salida de voltaje de un sensor de termopar no es lineal, es decir, no cambia linealmente con los cambios de temperatura. La linealización puede hacerse mediante el acondicionador de señal o utilizando un software que se ejecuta dentro del sistema DAQ.
Tipos de termopares
El emparejamiento de diferentes tipos de metales nos da una variedad de intervalos de medición. Estos se llaman "tipos". Uno muy popular es el termopar tipo K, que combina cromo y alumel, lo que da como resultado un amplio intervalo de medición de −200 ° C a +1350 ° C (−330 ° F a +2460 ° F). Otros tipos populares son J, T, E, R, S, B, N y C.
Los tipos de termopares J, K, T y E también se conocen como Termopares de Metal Base. Los termopares de los tipos R, S y B se conocen como Termopares de Metales Nobles, que se utilizan en aplicaciones de alta temperatura. Estos son los tipos de termopares más populares en uso hoy en día:
| ANSI | IEC | Aleaciones Utilizadas | Intervalo | Magnetico? | Comentarios |
|---|---|---|---|---|---|
| J | J | Acero-Constantano | -40° a 750° C-40° a 1382° F | Si | Mejor para temperaturas altas que bajas |
| K | K | Cromio-Alumel | −200° a 1350 °C−330° a 2460 °F | Si | La gama más amplia, la más popular. El níquel es magnético. |
| T | T | Cobre(Cu) | -270 a 400° C-454 a 752° F | No | Bueno para temperaturas más bajas y ambientes húmedos. |
| E | E | Cromio-Constantano | −50° a 740 °C | No | Bueno para uso criogénico. |
| N | N | Nicrosil(Ni-Cr-Si) | -270 a 1300° C-450 a 2372° F | No | Amplio intervalo de temperaturas, más estable que el tipo K |
| B | B | Platino-30% Rodio(Pt-30% Rh) | 0 a 1820° C32 a 3308° F | No | Alta temperatura, no insertar en tubos metálicos |
| R | R | Platino-13% Rodio(Pt-13% Rh) | -50 a 1768° C-58 a 3214° F | No | Alta temperatura, no insertar en tubos metálicos |
| S | S | Platino-10% Rodio(Pt-10% Rh) | -50 a 1768° C-58 a 3214° F | No | Alta temperatura, no insertar en tubos metálicos |
| C | C | Tungsteno-3% Renio(W-3% Re) | 0 a 2320° C32 a 4208° F | No | Hecho para aplicaciones de alta temperatura, pero no para entornos oxidantes. |
Una comparación detallada de termopares está disponible en la imagen a continuación. Haga clic en la imagen para ampliarla:
Desafíos y soluciones de medición de termopares
Debido a la muy pequeña salida de microvoltios y milivoltios de estos sensores, puede producirse ruido eléctrico e interferencia cuando el sistema de medición no está aislado. Los dispositivos DAQ de Dewesoft abordan esto mediante el acondicionamiento de señal diferencial. Casi todos los módulos de acondicionamiento de señal de Dewesoft están aislados galvánicamente además de ser diferenciales. Estas son las mejores formas de rechazar los voltajes de modo común que entran en la cadena de señal.
Aprende más:
Otra forma de reducir el ruido es colocar el digitalizador lo más cerca posible del sensor. Evitar largas líneas de señal es una estrategia comprobada para maximizar la fidelidad de la señal y reducir los costos. Mire nuestros dispositivos modulares DAQ SIRIUS y KRYPTON para obtener las mejores soluciones aquí.
Un CJC inadecuado resulta en lecturas incorrectas. Este conjunto debe protegerse de los cambios de temperatura ambiente para proporcionar una referencia sólida. Dewesoft utiliza un chip CJC separado para cada canal en sus CJC de alta gama, que se muelen a partir de un bloque sólido de aluminio y se ensamblan con precisión para lograr la mejor referencia posible.
Los cables de termopar son más caros que los cables de cobre simples, lo que proporciona otra razón por la cual la unión fría debe ubicarse lo más cerca posible de la fuente de señal (evitando al mismo tiempo cambios extremos de temperatura ambiente).
Los sistemas como el módulo de termopar aislado de un solo canal KRYPTON ONE de Dewesoft proporcionan lo último en esta área, permitiendo que la referencia fría se distribuya en cualquier lugar donde los sensores estén ubicados e interconectados a una distancia de hasta 100 m (328 pies). La señal se convierte a digital en el punto de medición y se transmite a través de EtherCAT al sistema de medición del host, eliminando el ruido y los largos tendidos de costosos cables de termopar.
Aplicaciones de Medición de Termopares
La temperatura es la propiedad física más medida en el mundo, y los termopares son el sensor más popular para la medición de temperatura. Por lo tanto, hay literalmente millones y millones de aplicaciones para termopares, en todas las industrias y sectores. Estos son solo algunos de ellos:
Plantas de energía eléctrica (la temperatura es un indicador de sobrecalentamiento de componentes)
Electrodomésticos, donde los termistores no son suficientes.
Control de procesos industriales y automatización de fábricas.
Fabricación de alimentos y bebidas.
Fábricas de procesamiento de metales y pulpa y papel
Monitoreo ambiental y estudios
Investigación científica y desarrollo (I + D)
Fabricación y prueba de suministros farmacéuticos y médicos.
Sistemas automotrices y aplicaciones de prueba, pruebas de clima frío y caliente, pruebas de frenos, pruebas ADAS, análisis de combustión y más.
Sistemas y pruebas de aviones y motores de cohetes
Fabricación y prueba de satélites y naves espaciales
Ventajas y desventajas de los termopares
Ventajas del termopar:
Autoalimentado (pasivo)
Fácil de usar
Conectividad intercambiable y fácil
Relativamente barato
Amplia variedad de sondas de termopar disponibles
Amplios intervalos de temperatura en muchos tipos.
Capacidades de temperatura más altas que otros sensores.
No afectado por la resistencia disminuye o aumenta
Desventajas del termopar:
La salida requiere linealización
Se requiere una unión CJC de "referencia fría"
Las salidas de baja tensión son susceptibles al ruido.
No es tan estable como los RTD
No es tan preciso como los RTD
Comparación de sensores de temperatura: termopares, RTD y termistores
| Sensor | Termistor | Termopar | RTD (Pt100) |
|---|---|---|---|
| Intervalo de Temperatura | Más estrecho -40 °C a 300 °C | Más ancho El tipo J es de -210 a 1200 °C El tipo K es de 95 a 1260 °C Otros tipos pueden variar desde -270 °C o hasta 3100 °C | Estrecho -200- a 600 ° C Hasta 850 ° C es posible |
| Respuesta | Rápida | Medio a rápido Depende del tamaño del sensor, el diámetro del cable y la construcción. | Lento Depende del tamaño y la construcción del sensor. |
| Estabilidad a largo plazo | Pobre | Muy Bueno | El mejor (±0.5°C to ±0.1°C / year) |
| Exactitud | Justo | Bueno | Mejor 0.2%, 0.1% y 0.05% |
| Linearidad | Exponencial | No lineal Esto generalmente se hace en software | Bastante bueno Pero se recomienda linealización |
| Construcción | Frágil | Adecuado Las sondas y los tubos mejoran la fragilidad pero aumentan el tiempo de respuesta. | Frágil Las sondas y los tubos mejoran la fragilidad pero aumentan el tiempo de respuesta. |
| Tamaño | Muy pequeño | Pequeño | Grande |
| Cableado | Muy simple | Simple | Complejo |
| Excitación/Potencia Requerida | No | No | Requerida |
| Requerimientos externos | No | CJC (compensación de unión fría) y linealización de señal | Acondicionador de señal RTD |
| Costo | Más bajo Los tipos de baja precisión son muy económicos, pero hay algunos que son más precisos y más caros. Los modelos NTC y PTC (coeficiente de temperatura positivo y negativo) están disponibles. | Bajo Los tipos R y S que usan platino son más caros | Mas alto |
Elegir el termopar adecuado para su aplicación
Para elegir el sensor adecuado para su medición, es importante tener en cuenta una serie de factores diferentes:
¿Cuáles son las temperaturas máximas y mínimas que necesita medir?
¿Cual es el presupuesto?
¿Qué intervalo de precisión se necesita?
¿En qué atmósfera se usará? (oxidante, inerte, etc.)
¿Cuál es la vida útil del sensor que se necesita?
¿Cuál es la respuesta requerida (qué tan rápido debe reaccionar a los cambios de temperatura)?
¿El uso del termopar será periódico o continuo?
¿El termopar estará expuesto a flexión o flexión durante su vida útil?
¿Estará sumergido en agua y a qué profundidad?
Según las respuestas a estas preguntas, y haciendo referencia a la tabla de Tipos de termopares anterior, debería ser posible seleccionar los mejores sensores generales para su aplicación.
Video de Entrenamiento de Termopares
Este video de la conferencia de medición de Dewesoft explica las características básicas y los principios de funcionamiento de los termopares y la medición de temperatura con los dispositivos DAQ y el software DewesoftX.
Aprenda más:
Dispositivos de medición de Dewesoft para termopares
Dewesoft proporciona varios sistemas DAQ que pueden medir, almacenar y mostrar la temperatura de manera efectiva. Y pueden hacerlo conectando los sensores de temperatura más populares del mundo para aplicaciones DAQ industriales: el termopar. Los sistemas Dewesoft pueden medir, almacenar, analizar y visualizar la temperatura de uno a cientos de canales en tiempo real.
Tenga en cuenta que el software de adquisición de datos DewesoftX permite que la salida de temperatura de cualquier sensor se muestre en la escala de temperatura que elija. La unidad de medida predeterminada es Celsius, pero el software proporciona una conversión fácil y simple a la escala Fahrenheit (F) o la escala Kelvin (K), la unidad base de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
El archivo de datos de la prueba de batería de iones de litio donde se utilizó el sensor de termopar para medir la temperatura de las baterías utilizando el software Dewesoft X y el hardware DAQ
Dewesoft X es tan flexible, de hecho, que puede mostrar una medida dada en múltiples unidades de medida simultáneamente si es necesario.