Par termoeléctrico

Un termopar, o par termoeléctrico ( CTE ), es, en física , un par de materiales cuyo efecto Seebeck , descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck , se utiliza para medir la temperatura . Son económicos y permiten la medición en una amplia gama de temperaturas. La principal limitación es la precisión obtenida. Es relativamente difícil obtener mediciones con una incertidumbre inferior 0.1  ° C .

Principios de medida

El efecto Seebeck

Cuando se utilizan dos metales para formar un bucle abierto (no fluye corriente a través de los cables) (consulte el diagrama al lado), se puede generar un potencial eléctrico entre los dos terminales no unidos del bucle si hay un gradiente de temperatura en el bucle. El potencial eléctrico generado se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

se llama coeficiente de Seebeck (los índices ayb representan la diferente naturaleza de los metales utilizados) o coeficiente de sensibilidad.

Montaje de un termopar

Un termopar es un conjunto que utiliza el efecto Seebeck para la determinación de la temperatura. Este consta de dos alambres de diferentes metales, soldados en uno de sus extremos. Esta unión lleva el nombre habitual de "soldadura en caliente" y se instalará en el entorno cuya temperatura se va a medir. Los otros dos extremos deben conectarse a los terminales de un voltímetro. Las dos uniones formadas en los terminales del voltímetro se denominan comúnmente "soldaduras de referencia" o "soldaduras en frío".

Para facilitar la conversión de la tensión medida en temperatura, es necesario asegurarse de que las dos "soldaduras de referencia" estén a la misma temperatura. Para ello, es posible utilizar lo que comúnmente se denomina “caja de referencia” o “caja fría”.

El voltaje medido por el voltímetro es una función de la temperatura de la "soldadura caliente" y la temperatura de las "soldaduras frías" y se puede calcular a partir de la siguiente expresión:

Para determinar la temperatura de la soldadura en caliente, es necesario conocer la temperatura de las "soldaduras en frío". Esto se puede lograr, por ejemplo, con un sensor de temperatura del tipo termorresistivo (típicamente un termorresistor de platino pt100 o pt1000).

A partir del conocimiento de la evolución del coeficiente de Seebeck de los metales utilizados en función de la temperatura, es posible determinar la temperatura de la “soldadura en caliente”.

En la práctica, no se utiliza el coeficiente de Seebeck, sino el EMF (fuerza electromotriz), el voltaje generado por un termopar cuya temperatura de referencia se mantiene a 0  ° C (fusión del hielo). La temperatura se calcula a partir de la EMF utilizando ecuaciones polinómicas. Estas relaciones, así como las tablas de referencia que se deducen de ellas, se dan en la norma internacional IEC 60584-1.

La mayoría de los conjuntos no mantienen una temperatura de referencia 0  ° C . No es posible el uso directo de las tablas de IEC 60584-1. Entonces es necesario recurrir a un sistema de compensación de voltaje.

Compensación de voltaje

El procedimiento es el siguiente. El voltímetro (o similar) mide el voltaje . La temperatura de la "unión fría" se mide por un medio adicional. Esta temperatura se convierte en tensión mediante las tablas que caracterizan el termopar considerado. Este voltaje de compensación se suma al voltaje medido por el voltímetro, para determinar el voltaje a través de la "unión caliente". Este voltaje corregido finalmente se convierte en temperatura usando las tablas de calibración, que se usan aquí en la otra dirección. El material utilizado por los cables del voltímetro (generalmente cobre) no se tiene en cuenta en el cálculo, siempre que las dos “soldaduras en frío” estén a la misma temperatura. Por lo general, están muy cerca el uno del otro. Las "soldaduras en frío", por lo tanto, crean un termopar del mismo tipo que la "soldadura en caliente", pero de polaridad opuesta. La influencia del metal intermedio (el cobre del voltímetro) se anula.

Envejecimiento y calibración

Un termopar es una entidad cuyas características cambian rápidamente justo después de su fabricación (oxidación) y permanecen muy estables a partir de entonces. Por tanto, es útil "envejecer" un nuevo termopar llevándolo durante mucho tiempo a las temperaturas en las que se utilizará. Luego debe calibrarse para tabular su FEM.

Tipos de termopares

Un termopar se puede formar a partir de cualquier par de metales. En la práctica, por cuestiones de costo, sensibilidad, rango de medición, oxidación, resistencia mecánica, etc., los pares de metales utilizados están restringidos.

La siguiente lista enumera los termopares, incluidos los citados en las normas internacionales.

En la siguiente lista, se indica el uso “continuo” e “intermitente” para los rangos de temperatura. Cada tipo de termopar se puede utilizar en toda su gama de uso intermitente. Sin embargo, el uso de un termopar fuera de su rango de uso continuo durante demasiado tiempo puede degradar el termopar y su rendimiento, por lo que es recomendable usarlo solo en este rango de uso intermitente ocasionalmente.

Basado en metales comunes

Tipo E Tipo J Tipo K Tipo N Tipo T Tipo M o NiMo / NiCo
  • Composición  : Níquel Molibdeno 18% (cable positivo) / Níquel Cobalto 0,8% (cable negativo)
  • Otros nombres Ni / NiMo18% / NiMo / Ni / NiMo
  • Uso de +400 a +1370 ° C
  • Se utiliza en hornos de vacío cuando la temperatura no supera los 1370  ° C
  • Utilizado en hornos bajo atmósfera de hidrógeno.
  • La norma ASTM E1751 reproduce una tabla FEM.
  • La compensación se realiza con el cable alargador K, de igual forma los conectores compensados ​​son tipo K
  • No estandarizado.

Basado en metales nobles

Tipo R
  • Composición  : platino- rodio (13%) / platino
  • Uso continuo de 0 a 1600  ° C  ; El uso intermitente de 0 a 1700  ° C .
  • FEM ligeramente más alto que para S. Mayor estabilidad que para S.
  • Colores según IEC 584-3: Naranja / + Naranja / - Funda blanca
  • Colores según NF C 42-323 1985: Verde / + Amarillo / - Funda verde
  • Colores según ANSI MC96-1: verde vaina / + negro / - rojo
Tipo S
  • Composición  : platino-rodio (10%) / platino
  • Uso continuo de 0 a 1550  ° C  ; El uso intermitente de 0 a 1 700  ° C .
  • Alta resistencia a la corrosión y oxidación.
  • Fácilmente contaminado.
  • Colores según IEC 584-3: Naranja / + Naranja / - Funda blanca
  • Colores según NF C 42-323 1985: Verde / + Amarillo / - Funda verde
  • Colores según ANSI MC96-1: verde vaina / + negro / - rojo
Tipo B
  • Composición  : platino-rodio (30%) / platino-rodio (6%)
  • Uso continuo de 100 a 1600  ° C  ; El uso intermitente de 0 a 1.8 mil  ° C .
  • Poor precisión por debajo de 600  ° C .
  • Compensación de unión fría insignificante de 0  a  50  ° C .
  • Colores según IEC 584-3: No estandarizado
  • Colores según NF C 42-323 1985: Negro / + Amarillo / - Funda negra
  • Colores según ANSI MC96-1: Funda Negro / + Negro / - Rojo

Basado en metales refractarios

Tipo C (o W5)
  • Composición  : tungsteno - renio (5%) / tungsteno-renio (26%)
  • Uso continuo de 50 a 1.820  ° C  ; El uso intermitente de 20 a 2.3 mil  ° C .
  • EMF alto y lineal a alta temperatura. No es adecuado para las mediciones por debajo de 400  ° C .
  • Precio elevado, difícil de fabricar, frágil.
  • Utilizar en atmósfera inerte. No recomendado en un ambiente oxidante.
  • No estandarizado.
Tipo G (o W)
  • Composición  : tungsteno / tungsteno-renio (26%)
  • Uso continuo de 20 a 2320  ° C  ; uso intermitente de 0 a 2600  ° C .
  • EMF alto y lineal a alta temperatura. No es adecuado para las mediciones por debajo de 400  ° C .
  • Utilizar en atmósfera inerte. No recomendado en un ambiente oxidante.
  • No estandarizado.
Tipo D (o W3)
  • Composición  : tungsteno-renio (3%) / tungsteno-renio (25%)
  • Uso continuo de 20 a 2320  ° C  ; uso intermitente de 0 a 2600  ° C .
  • EMF alto y lineal a alta temperatura. No es adecuado para las mediciones por debajo de 400  ° C .
  • Utilizar en atmósfera inerte. No recomendado en un ambiente oxidante.
  • No estandarizado.

Selección

El rango a medir

Lo primero importante a tener en cuenta es hacer coincidir el rango de temperatura a medir con el rango óptimo de uso del termopar.

Evolución de los campos electromagnéticos en función de la temperatura

La diferencia de potencial (o FEM) generada por un termopar es una función del coeficiente de Seebeck del termopar, la temperatura de la soldadura caliente y la temperatura de las soldaduras frías.

En la práctica, esta EMF a menudo se representa imponiendo la temperatura de las soldaduras en frío a 0 ° C.

La evolución de la EMF en función de la temperatura de la unión caliente, para una unión de referencia mantenida a 0  ° C , no es lineal (solo la curva del termopar tipo K, en un rango de temperatura muy restringido, puede considerarse constante ).

Un termopar cuyo EMF varía significativamente permite realizar mediciones con mayor sensibilidad. Por tanto, la medición es más precisa.

Ciertos usos de los termopares, en particular en un entorno industrial, se realizan en condiciones en las que la presión y la temperatura pueden ser elevadas. Esto puede cambiar la precisión y la tasa de desgaste del termopar. Por tanto, es necesario recurrir a termopares con una precisión a veces menor pero con una resistencia particular en comparación con los entornos de uso.

Notas y referencias

  1. (in) "  Resumen de la norma IEC 60584-1 para termopares, tablas de piezas y funciones de referencia  "
  2. Estándares internacionales definidos por la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM)
  3. SensorTec - Teoría del termopar
  4. "  TC Direct - Tratado de termometría por termopar y resistencia  "

Ver también

enlaces externos