¿Qué es un sensor de termopar? La función, el tipo y la aplicación del termopar.

Un sensor de termopar está formado por dos metales diferentes unidos en un extremo. La temperatura se mide en esta unión. Los dos metales generan un pequeño voltaje que puede medirse y evaluarse mediante un sistema de control. Los metales diferentes se aíslan individualmente y se utiliza una funda para mantener una configuración bifilar ajustada. (Yaxun) sensores de termopar y conjuntos están disponibles en una variedad de diseños estándar para una amplia gama de aplicaciones. Los termopares de clase 1 están diseñados de acuerdo con IEC584. Hay disponibles soluciones de termopar personalizadas. YAXUN tiene décadas de experiencia en el desarrollo y fabricación de soluciones de sensores personalizadas.

En principio, el termopar suministra energía eléctrica a partir del calor a una diferencia de temperatura a lo largo del conductor eléctrico. El voltaje eléctrico que se produce en los otros extremos del conductor metálico es comparativamente pequeño y está en el rango de unos pocos 10 µV por 1 ° C de diferencia de temperatura. Incluso con altas diferencias de temperatura por encima de 1000 ° C y materiales seleccionados con alta sensibilidad, los voltajes eléctricos alcanzables están por debajo o en el orden de magnitud de 0,1 V. Varios termopares conectados en serie forman una cadena térmica, que suministra un voltaje eléctrico más alto por el número.

Efecto Seebeck

Punta de un termopar tipo J soldado
El efecto termoeléctrico o Seebeck es el término utilizado para describir la aparición de un voltaje térmico debido a un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor eléctrico. Este voltaje eléctrico o diferencia de potencial es una función de la diferencia de temperatura a lo largo del conductor y es diferente para cada material conductor. Las características son solo aproximadamente lineales.

Para poder medir una tensión eléctrica en los dos extremos del conductor, el conductor de retorno debe estar hecho de un material diferente al conductor delantero, como se muestra en el circuito de medición esquemático adyacente. Con el mismo material en ambos conductores, habría diferencias de potencial de la misma magnitud, que se anularían entre sí en un circuito cerrado. El punto de conexión de un termopar que está expuesto a la temperatura a medir tiene la función de un punto de medición, la transición a las líneas (de cobre) que conducen al dispositivo de medición de voltaje tiene la función de un punto de referencia. (Cualquier otra diferencia de potencial relacionada con la temperatura a lo largo de las líneas de suministro se excluye de la medición de voltaje si las líneas son iguales).

Cada voltaje térmico representa una diferencia de temperatura entre la unión de medición y la de referencia. Para poder determinar la temperatura real del punto de medición, se debe conocer la temperatura del punto de comparación, ver más abajo. Esta temperatura también debe conocerse porque, debido a la relación no lineal, dependiendo de la temperatura de la unión de referencia, cada voltaje térmico tiene una diferencia de temperatura diferente.

La sensibilidad de un solo conductor no se puede medir en la disposición de medición; se da como un coeficiente termoeléctrico en comparación con un material de referencia, el platino es común. Estos datos de material, que se especifican para una temperatura fija y se clasifican por tamaño, forman la serie termoeléctrica de voltajes. Los valores de estos coeficientes termoeléctricos dependen de la relación de aleación o del grado de pureza de los metales utilizados. A través de aditivos específicos, se pueden producir materiales con coeficientes termoeléctricos reproducibles y razonablemente estables a largo plazo.

Materiales para fines de medición

El punto abierto muestra los termohilos, incluido el aislamiento en el tubo protector del inserto de medición (en su mayoría de cerámica), que se inserta en un tubo protector exterior (de cerámica o metal, según la aplicación).
Al seleccionar un emparejamiento de materiales para fines de medición, uno se esfuerza por lograr un alto voltaje térmico, una alta linealidad y una alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Estos objetivos no se pueden lograr con una sola combinación. Por lo tanto, se utilizan diferentes combinaciones de materiales según la aplicación.

Diez termopares están estandarizados internacionalmente, cada uno de los cuales se identifica con una letra mayúscula. Generalizados son:
Níquel-cromo / níquel (tipo K; tipo más común con voltajes térmicos entre −6,458 mV a −270 ° C y 52,410 mV a 1300 ° C) con una sensibilidad de aproximadamente 40 µV / ° C (por encima de 0 ° C)
Hierro / cobre-níquel (tipo J; para aplicaciones industriales con voltajes térmicos entre −8,095 mV a −210 ° C y 69,553 mV a 1200 ° C) con una sensibilidad ligeramente superior, pero menos lineal
Platino-rodio / platino (tipos R y S; para altas temperaturas, hasta aprox. 20 mV) con una sensibilidad de 5… 12 µV / ° C según la temperatura
El conductor positivo en cada caso se da primero; tiene un potencial positivo en comparación con el otro conductor con una diferencia de temperatura positiva en la que el punto de medición está más caliente que el punto de referencia.

Además, dos termopares de alta pureza oro-platino y platino-paladio están estandarizados, pero su manejo es difícil.
Para la medición de altas temperaturas, la estandarización se ha ampliado para incluir termopares a base de tungsteno hasta 2500 ° C. Se han desarrollado termopares a base de oro para medir bajas temperaturas, pero sus voltajes térmicos no son (todavía) lo suficientemente reproducibles para una definición uniforme.

Para proteger contra influencias contaminantes, corrosivas o abrasivas del medio ambiente, los termopares se fabrican para uso industrial como termopares enfundados o como insertos de medición con un tubo protector. El inserto de medición se opera en un tubo protector exterior con un cabezal de conexión para facilitar el intercambio, incluso durante el funcionamiento.

Comparación de diferentes termopares

La siguiente tabla proporciona datos característicos y la identificación de diferentes tipos de termopares.

Debido a la deriva esperada, se recomienda mantener una temperatura de funcionamiento superior que dependa del diámetro del cable. Para los tipos K, J, N, E, T, se espera una vida útil continua de 10.000 h en aire limpio, para los tipos de metales nobles R, S, B de 2.000 h. Con la información entre paréntesis, se espera una vida útil más corta de 250 ho 50 h.

En la información sobre la desviación del límite, t representa la temperatura Celsius del punto de medición. De los dos elementos de información, se aplica el mayor de los dos, es decir, como indicación del importe. Por ejemplo, un termopar con la especificación "1,5 ° C o 0,004 · | t |" puede medir la temperatura a 1000 ° C con una desviación de −4 ° C o hasta +4 ° C. Las desviaciones del límite garantizado solo se aplican a los termocables marcados como pertenecientes juntos en la condición de entrega.

Escribe	materiales	aplicable hasta ... ° C	Están definidos de ... a ... ° C	Desviación límite en clase 1	Desviación límite en clase 2
K	NiCr-Ni	750 – 1100 (850 – 1200)	−270 a +1300	1,5 °C o 0,004·|t| en −40 a 1000 °C	2,5 °C o 0,0075·|t| en −40 a 1200 °C
J	Fe-CuNi	400 – 600 (500 – 750)	−210 a +1200	1,5 °C o 0,004·|t| en −40 a 750 °C	2,5 °C o 0,0075·|t| en −40 a 750 °C
N	NiCrSi-NiSi	850 – 1200 (900 – 1250)	−270 a +1300	1,5 °C o 0,004·|t| en −40 a 1000 °C	2,5 °C o 0,0075·|t| en −40 a 1200 °C
E	NiCr-CuNi	440 – 690 (480 – 800)	−270 a +1000	1,5 °C o 0,004·|t| en −40 a 800 °C	2,5 °C o 0,0075·|t| en −40 a 900 °C
T	Cu-CuNi	200 – 300 (250 – 350)	−270 a +400	0,5 °C o 0,004·|t| en −40 a 350 °C	1 °C o 0,0075·|t| en −40 a 350 °C
R	Pt13Rh-Pt	1400 (1600)	−50 a +1768	1 °C en 0 a 1100 °C o 1 °C + 0,003·(t−1100 °C) en 1100 a 1600 °C	1,5 °C o 0,0025·t en 0 a 1600 °C
S	Pt10Rh-Pt	1400 (1600)	−50 a +1768	1 °C en 0 a 1100 °C o 1 °C + 0,003·(t−1100 °C) en 1100 a 1600 °C	1,5 °C o 0,0025·t en 0 a 1600 °C
B	Pt30Rh-Pt6Rh	1500 (1700)	0 a +1820	– - -	1,5 °C o 0,0025·t en 600 a 1700 °C
C	W5Re-W26Re		0 a 2315	– - -	0,01·t en 426 a 2315 °C
A	W5Re-W20Re		0 a 2500	– - -	0,01·t en 1000 a 2500 °C
	AuFe-NiCr	−272 – +300	no disponible	Enviar reproducible 0.2% del voltaje; cada Senso debe calibrarse individualmente.

Para la medición de bajas temperaturas, con los tipos T, E, K, N, se pueden garantizar desviaciones límite de hasta −200 ° C en la clase 3 cuando se utiliza material seleccionado.
Sensor de termoelemento - Gehäuse: Sonda de acero inoxidable con racor de compresión 1 / 2NPT, Sonda de acero inoxidable con racor de compresión 1 / 4NPT, Sonda de acero inoxidable con racor de compresión 1 / 8NPT, Sonda de acero inoxidable con racor de compresión 3 / 4NPT, Sonda de acero inoxidable con racor de compresión 3 / 8NPT

Los estados de orden de los termopares de NiCr-Ni

En el caso de los termopares de NiCr-Ni, surgen diferentes estados de orden, que son causados ​​por la temperatura y la velocidad de enfriamiento de la aleación de NiCr. En este contexto, se habla del estado K (estado ordenado) y del estado U (estado desordenado). En ambos estados, el termopar genera un voltaje térmico reproducible, pero las desviaciones entre sí pueden ser de hasta 5 K. La aleación de NiCr tiene una red cristalina cúbica centrada en la cara. En el estado K, los átomos de cromo forman las esquinas y los átomos de níquel están en el centro de las superficies. Este estado siempre ocurre a temperaturas superiores a 600 ° C. Si se permite que el termopar se enfríe a una velocidad de más de 100 K / h en el rango de 600 ... 400 ° C, esto resultará en "perturbaciones" en la red cristalina. H. Átomos de níquel en las esquinas de la estructura y átomos de cromo en el centro. Esta disposición se conoce como estado U. A velocidades de enfriamiento más altas, los átomos no tienen tiempo para salir del estado ordenado. Sin embargo, dado que la temperatura es una cantidad muy lenta en la práctica metrológica, los termopares de NiCr-Ni generalmente se enfrían demasiado lentamente y el estado de K ocurre por debajo de 600 ° C. Este efecto puede minimizarse añadiendo silicio en la medida en que sea insignificante en términos de tecnología de medición. Esto se ha implementado con el termopar tipo N, NiCrSi-NiSi, que, sin embargo, solo se está abriendo camino lentamente en la práctica metrológica.

Aplicaciones: medición de temperatura

Diferencia de temperatura
En un circuito de medición, como en la imagen de arriba en lo básico, surgen tres combinaciones de materiales diferentes a través de transiciones a conductores de cobre: ​​A → B, B → Cu, Cu → A. A la misma temperatura en ambos terminales de conexión, el potencial de cobre desaparece del cálculo y lo que queda en este punto es la diferencia de potencial de la combinación B → A. Los terminales de conexión asumen así la función de punto de comparación. La unión de referencia se puede reubicar en un lugar más distante mediante los llamados cables de extensión o cables de compensación, p. Ej. B. en plantas industriales hasta la sala de control. Estos cables de extensión están hechos de materiales térmicos idénticos y los cables de compensación están hechos de materiales más baratos que tienen las mismas propiedades termoeléctricas que el propio termopar en un rango de temperatura limitado.

Temperatura en lugar de diferencia de temperatura
Dado que solo se puede determinar una diferencia de temperatura con la ayuda de un termopar, es necesaria una compensación de unión fría (CJC) para medir la temperatura. En el caso más simple, debe conocerse la temperatura en el punto de transición (la temperatura de la unión de referencia); La diferencia de temperatura para la tensión térmica medida se lee en una tabla; esto se suma a la temperatura de la unión de referencia. Este procedimiento solo se puede utilizar si se permite una aproximación lineal.

Para muchos propósitos de medición, la relación entre el voltaje térmico y la diferencia de temperatura no es suficientemente lineal. Antes de usar la tabla, tenga en cuenta la temperatura de referencia a partir de la cual se calcula la tabla (0 mV principalmente a 0 ° C). Si hay una diferencia entre la temperatura de la unión de referencia y la temperatura de referencia, el voltaje medido debe corregirse antes de usar la tabla por el valor de la tabla del voltaje que corresponde a la temperatura de la unión de referencia. En el caso de una característica curva, la siguiente regla se aplica a la inclusión del punto de comparación:

La adición de voltajes parciales conduce correctamente al voltaje total. La suma de los valores de la tabla asociados de las temperaturas parciales no conduce a la temperatura total.
La tensión térmica puede ser procesada por un amplificador adecuado para poder distribuirla elásticamente. Los transductores de medición disponibles comercialmente amplifican, también tienen en cuenta la temperatura (variable) de la unión de referencia y linealizan la señal de salida y la temperatura para una temperatura de unión de referencia especificada (temperatura lineal en lugar de señal de salida lineal de voltaje).

Envejecimiento de termopares

Los termopares se utilizan a menudo a altas temperaturas y en atmósferas de horno reactivo. Aquí la vida útil está limitada en la práctica por el envejecimiento. Los coeficientes termoeléctricos de los cables en el área de mayor temperatura cambian con el tiempo y con ellos el voltaje térmico. Se observa tanto una disminución como un aumento de la tensión térmica, según el tipo de termopar y la temperatura de funcionamiento. Aquí es importante que la simple consideración de las diferencias de temperatura entre los puntos de conexión solo se aplique si los cables son homogéneos por lo demás. Este no es precisamente el caso de un termopar envejecido. Las propiedades de los metales en la zona del gradiente de temperatura son decisivas para el desarrollo de la tensión térmica. Por lo tanto, si se extrae un poco del horno un termopar envejecido, instalado permanentemente, el metal, que ha envejecido a una temperatura alta dentro del horno, entra en todo el rango del gradiente de temperatura y el error de medición aumenta considerablemente. Por el contrario, si un termopar envejecido se empuja más profundamente en el horno, volverá a mostrarse con precisión.