termocupla

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SENSOR DE TEMPERATURA CON UN RANGO DE 260 A 315,5ºC USANDO UN TERMOPAR TIPO K
1. MARCO TEÓRICO:

Termopares:

¿Qué son los termopares?:
Los termopares son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente.

Un termopar se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión delos metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.

Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y níquel)

Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.


La relación Tensión-temperatura NO es lineal.Sin embargo tomando incrementos de Tª pequeños, podemos expresar:
∆V ≈ S ∆T
Donde la sensibilidad del sensor S es conocida como coeficiente de Seebeck.
Tipos de termopares:
Según los metales que lo componen, los termopares se dividen en tipos designados por una letra:
Tipo J (hierro-constantan).
Tipo K (cromel-alumel).
Tipo T (cobre-constantan).
Tipo E (cromel-constantan).Características:

Ventajas:
• No requiere alimentación.
• Simple y robusto
• Barato
• Amplio rango de temperaturas

Inconvenientes:
• Alinealidad
• Baja sensibilidad del orden de µV/ºC
• Como se verá a continuación, su acondicionamiento requiere otro sensor que mida la temperatura de referencia.
Acondicionamiento:

Unión de referencia o unión fría:
En la figura inferior elTermopar es de tipo T (Cobre-Constantan). El constantan es una aleación formada por un 45% de níquel y un 55% de cobre.

Para medir la tensión conectamos un voltímetro, lo que crea dos uniones distintas entre sí:
• J2 (Cu-Constantan) que está sometida a otra Tª creando una tensión V2
• J3 (Cu-Cu) cuya tensión V3 = 0, ya que ambos extremos son del mismo metal.

Según el circuitotermoeléctrico de la figura, podemos establecer:


Donde:




Como ambas uniones J1 y J2 están formadas de los mismos metales, tienen el mismo coeficiente S
(S1=S2) quedando:



Si medimos la temperatura T2 de la unión J2 que será una temperatura ambiente podremos saber T1 que podrá ser una temperatura mucho más extrema.

Como el paréntesis es un incremento de la temperatura no importa que estavenga dada en ºK ó en ºC:

La demostración es inmediata. Si expresamos la temperatura en ºK:





Una solución aparentemente sencilla para hallar V sería sacar la unión J2 del voltímetro y mantenerla a una temperatura T2 = 0, por ejemplo sumergiéndola en un baño de hielo fundente (0ºC).


Nos quedaría entonces:


Este método o alguna variación del mismo es usado por loslaboratorios de calibración para la elaboración de las tablas características de los termopares, aunque no es práctico para las medidas de campo.
El caso anterior es un caso simple ya que uno de los metales es igual al metal de los cables (Cu), pero veamos qué ocurre con otros tipos de termopares, por ejemplo Hierro-Constantan (Tipo-J):

Observar además que en vez de conectar el constantan directamenteal voltímetro, se añade una unión J4 de los mismos metales que J3. Esto permite que V3 y V4 se cancelen entre sí.


Planteando el circuito termoeléctrico:


Donde:






Uso de un bloque isotérmico:

Por cuestiones prácticas, las uniones J3 y J4 se separan del voltímetro y se colocan en un bloque isotérmico que garantice que ambas uniones permanecen a la misma temperatura:Además eliminamos el baño de hielo que no resulta práctico, poniendo la unión de referencia sobre un bloque isotérmico. El circuito equivalente quedaría:


En el circuito anterior J3 y J4 son iguales y por tanto sus tensiones se cancelan.

Planteemos el circuito termoeléctrico:


Donde:






Sacando factor común:



Es más práctico tener un único bloque isotérmico, por lo...