Selección de Instrumentos para Medición de Temperatura. Parte II (Termopares)
Termopares
Los sensores de termopar (comúnmente llamados termocuplas por su nombre en inglés) son sensores formados por dos metales distintos unidos en uno de sus extremos.
Los termopares miden temperatura gracias al gradiente de temperatura entre los extremos. Los electrones en el extremo más caliente tienen mayor energía y velocidad cinética y van a moverse hacia el extremo más frío. Los del extremo más frío se moverán hacia el extremo más caliente. Los del extremo más caliente tienen mayor velocidad, por lo tanto habrá un mayor movimiento de electrones hacia ese sector. La forma más gráfica es pensar una manguera con agua.
La función que define el potencial en un termopar es
∆E = s * ∆T
Donde ∆E es el potencial eléctrico, s es el coeficiente de Seebeck que depende del material y ∆T es el gradiente de temperatura. En general los potenciales eléctricos medidos en el extremo de los termopares son menores a 100mV, por lo tanto son mediciones propensas a sufrir interferencia de ruido.
La presión se genera por el gradiente de altura entre los puntos donde empieza a cambiar. De la misma forma los electrones migran en el conductor debido al gradiente de temperatura entre distintos puntos y generan una diferencia de potencial a lo largo del termopar.
Si la manguera tuviera burbujas en la parte superior o inferior no afectaría a la presión, pero si las tuviera en la parte del gradiente de altura se generaría menor presión debido al cambio de densidad.
De la misma forma se comporta un termopar. Cuando hay inhomogeneidades del material a lo largo del gradiente de temperatura afectara la generación del potencial eléctrico, ya que inhomogeneidades en la estructura cristalina del metal afectara el flujo de electrones y por consiguiente la medición de temperatura.
Comúnmente las inhomogeneidades en los termopares vienen por daño mecánico debido a flexiones y torsiones en el material, a los diferentes coeficientes de expansión del termopar y del cuarzo que lo protege o por contaminación química debido a oxidación.
En conclusión si el termopar fuera totalmente homogéneo el potencial generado sería proporcional a la diferencia de temperatura entre los extremos independientemente de cómo sea el gradiente de temperatura en el medio.
Si el material no es homogéneo la diferencia de potencial eléctrico se verá afectado por el gradiente de temperatura a lo largo de todo el material.
Medición de temperatura con termopar
Como el termopar es un sensor que mide en toda su longitud entre la junta caliente y la junta fría es lo opuesto a un sensor convencional. El termopar mide la temperatura desde la junta caliente pasando por la pared, los conectores y los cables de extensión que pueden ser dañados por tráfico.
Por este motivo hay dos factores a tener en cuenta:
- Cuando un cable está expuesto a gradientes de temperatura, el mismo debe ser homogéneo y se debe evitar daño mecánico, químico o térmico.
- Si hay una parte dañada o que se sospecha dañada se debe colocar en un lugar isotérmico. Por lo tanto se debe evitar poner conexiones y fichas en un ambiente con flujo de calor o radiaciones infrarrojas.
Tipos de termopares
Hay tres tipos de termopares:
- Base metal: son fabricadas con materiales que contienen níquel. Como se oxidan no se realiza tratamiento térmico y por lo tanto tienen inhomogeneidades debido al stress de fabricación. Las más usadas son J, K, T, E y N. Soportan temperaturas menores que las de metales raros pero son mucho más baratas que las otras. No son aptas para medir con bajas incertidumbres, pero son las más usadas en la industria debido a su costo. Tienen ventajas en posibilidad de uso con respecto a las RTD debido a que se pueden fabricar termopares de mucho menor tamaño y que se pueden fabricar con mejor resistencia a los ambientes hostiles.
- Platino / Rodio: Son mucho más caras que las base (unas 100 veces). Resisten mucho mejor altas temperaturas y miden con menor incertidumbre. En general son tratadas térmicamente para reducir las inhomogenedidades debido al stress mecánico. Son muy estables químicamente.
- No estándar: Se usa la platino – oro y se está investigando en termopares de platino – paladio. Son realmente caras y las mediciones se deben realizar en mV y convertirse a temperatura según los certificados de calibración. Son termopares para laboratorios nacionales.
Descripción de la configuración de un termopar
Como se puede ver en el siguiente diagrama, la medición con termopar involucra a la junta caliente, la junta fría, cables de cobre y un multímetro.
La junta caliente es donde se juntan los dos cables que conforman el termopar y la junta fría es donde se junta el material de los cables que conforman el termopar con cables de cobre. En el gráfico se describe la configuración antigua con un multímetro donde se media en mV, pero los medidores de termopares modernos tienen la junta fría dentro del instrumento y miden la temperatura de la misma, junto con los mV generados por el termopar y convierten estas dos mediciones a temperatura.
Junta fría
Para poder medir la temperatura de un termopar se necesita medir 2 tensiones. La tensión producida por el gradiente de temperatura a lo largo del termopar y la tensión producida por la temperatura de la junta fría. Si se usa como junta fría un baño de 0°C, se obtiene que la tensión de la junta fría es de 0mV. En todos los otros valores se debe sumar esta tensión medida a la otra. La mayoría de los equipos modernos miden esta junta fría con un termistor y compensan automáticamente. Debido a que el termistor puede tener distinto tiempo de respuesta que la junta fría, se debe intentar tener la junta fría (o en muchos casos la conexión del termopar con el equipo medidor) en un ambiente con la menor cambio térmico posible. Otro problema es que debido a que muchos de estos lectores son copias digitales de equipos analógicos realizan la conversión de forma no adecuada. En todos los casos que uno no pueda asegurar una temperatura ambiente estable se puede calibrar un termopar en hielo y probar cambiar la temperatura ambiente del display para ver el efecto. Este proceso de compensación es en general identificado como CJC por sus siglas en ingles.
Errores en termopares
Errores por efectos térmicos: son los mismos que en otros sensores, inmersión, tiempo de respuesta, capacidad térmica y radiación térmica.
Errores de inhomogeneidad debido a fuerzas mecánicas: La mayoría de los termopares son susceptible a daño mecánico. El problema es que en la mayoría de los casos este daño se produce en el punto donde el termopar entra al horno, el cual es el punto que crea el principal gradiente de temperatura. El efecto de torcer un termopar ha dado lugar a cambios en el coeficiente Seebeck de hasta 4% en temperaturas por debajo de los 400°C. Debido a las inhomogeneidades muchos laboratorios nacionales calibran solo termopares de platino o termopares base pero nuevos y sugieren comprar termopares nuevos luego de cada ciclo de uso.
Errores de inhomogeneidad debido a contaminación química: la exposición de los termopares a altas temperaturas en cualquier tipo de ambientes produce cambios químicos en el termopar con el tiempo. Por ejemplo muchas de los termopares bases sufren oxidación de uno de sus componentes que puede dar cambios de un 1% cada 1000horas a 1000°C. Esto en termopares K se ve en las manchas verdes que se producen en las zonas agarradas a la pared (que justamente es una zona de alto gradiente térmico).
Errores por condiciones no isotérmicas: varias partes del circuito requieren condiciones isotérmicas para minimizar los errores de medición. Para estimar experimentalmente el error debido a los gradientes térmicos se puede aplicar aire caliente en estas zonas y ver cómo cambia la medición. Un cable homogéneo debería presentar errores menores a 0.2°C. Estos errores surgen con cables compensados y especialmente en las uniones de cables.
Junta fría: El uso de un baño de hielo agua – puede minimizar éste error. La junta fría de muchos de los medidores anda en el orden de 0.5 a 1°C, si el instrumento está estabilizado en un ambiente si cambios bruscos de temperatura, sino puede ser mayor. El tiempo de estabilización varía desde 5 a 30 minutos.
Interferencia: los cables de termopar largos pueden actuar como antena de radio y captar interferencia electromagnética.
En resumen, en general los termopares son sensores con los cuales se pueden obtener mediciones con tolerancias desde 1ºC a un precio muy accesible por lo tanto son muy usadas en la industria. Si los termopares son colocados en una posición y no son doblados nuevamente se evita la aparición de inhomogeneidades y se ayuda al mantenimiento de la exactitud.
Uno de los errores más comunes en el uso de termopares es en el mapeo de autoclaves y estufas. Debido a que el 
termopar sufre muchos dobleces durante el mapeo se producen inhomogeneidades. La forma de verificación previa y posterior al mapeo no asegura la exactitud de la medición ya que durante la medición otra parte del sensor se encuentra en un ambiente con gradiente de temperatura, con lo cual las condiciones cambian dramáticamente. Las mediciones con termopares solo podrían en el mejor de los casos asegurar 1°C en el mejor de los casos, lo cual puede ser suficiente para estufas pero es muy alto para autoclaves. El mapeo de autoclaves se debe realizar con otro tipo de sensores, como RTD o con datalogger inhalambricos, ya que con incertidumbres de 1°C el F0 del mapeo puede variar un 40%, con lo cual el mapeo se convierte en un ejercicio costoso que no nos garantiza el proceso y no nos da información del mismo.
En AKRIMET usamos los dataloggers AKRIBIS para los mapeos de autoclaves, calibrando antes y después los sensores en nuestro baño con incertidumbres desde 0.05°C, con lo cual podemos garantizar una exactitud en el mapeo de tan solo 0.2°C, con lo cual el error se reduce a menos de un 5%.
AKRIMET | División Metrológica de AKRIBIS