El principio de funcionamiento y diseño de un termopar es extremadamente simple. Esto llevó a la popularidad de este dispositivo y su uso generalizado en todas las ramas de la ciencia y la tecnología. El termopar está diseñado para medir temperaturas en un amplio rango, de -270 a 2500 grados Celsius. El dispositivo ha sido un asistente indispensable para ingenieros y científicos durante décadas. Funciona de manera confiable e impecable, y las lecturas de temperatura siempre son verdaderas. Un dispositivo más perfecto y preciso simplemente no existe. Todos los dispositivos modernos funcionan según el principio del termopar. Trabajan en condiciones difíciles.
Asignación de termopar
Este dispositivo convierte la energía térmica en corriente eléctrica y permite medir la temperatura. A diferencia de los termómetros de mercurio tradicionales, es capaz de funcionar en condiciones de temperaturas extremadamente bajas y extremadamente altas. Esta característica ha llevado al uso generalizado de termopares en una amplia variedad de instalaciones: hornos metalúrgicos industriales, calderas de gas, cámaras de vacío para tratamiento térmico químico, horno para estufas de gas domésticas. El principio de funcionamiento de un termopar siempre es el mismo y no depende del dispositivo en el que esté montado.
El funcionamiento confiable e ininterrumpido del termopar depende del funcionamiento del sistema de apagado de emergencia de los dispositivos en caso de exceder los límites de temperatura permitidos. Por lo tanto, este dispositivo debe ser confiable y proporcionar lecturas precisas para no poner en peligro la vida de las personas.
Beneficios de usar termopares
Las ventajas de utilizar dichos dispositivos para el control de la temperatura, independientemente de la aplicación, incluyen:
- una amplia gama de indicadores que se pueden registrar mediante un termopar;
- la soldadura del termopar, que interviene directamente en la toma de lecturas, se puede colocar en contacto directo con el punto de medición;
- proceso simple de fabricación de termopares, su resistencia y durabilidad.
Cómo funciona el termopar
Un termopar tiene tres elementos principales. Se trata de dos conductores de electricidad de diferentes materiales, además de un tubo protector. Los dos extremos de los conductores (también llamados termoelectrodos) están soldados y los otros dos están conectados a un potenciómetro (dispositivo de medición de temperatura).
En términos simples, el principio de funcionamiento de un termopar es que la unión de los termoelectrodos se coloca en un ambiente, cuya temperatura debe medirse. De acuerdo con la regla de Seebeck, surge una diferencia de potencial en los conductores (de lo contrario, termoelectricidad). Cuanto mayor sea la temperatura del ambiente, más significativa será la diferencia de potencial. En consecuencia, la flecha del dispositivo se desvía más.
En los complejos de medición modernos, los indicadores de temperatura digitales han reemplazado al dispositivo mecánico. Sin embargo, el nuevo dispositivo está lejos de ser siempre superior en sus características a los dispositivos antiguos de la era soviética. En las universidades técnicas y en las instituciones de investigación, hasta el día de hoy usan potenciómetros hace 20-30 años. Y exhiben una precisión y estabilidad de medición asombrosas.
Tipos de dispositivos
Cada tipo de termopar tiene su propia designación y se dividen de acuerdo con el estándar generalmente aceptado. Cada tipo de electrodo tiene su propia abreviatura: TXA, TXK, TBR, etc. Los convertidores se distribuyen según la clasificación:
- Tipo E: es una aleación de cromel y constantan. La característica de este dispositivo se considera alta sensibilidad y rendimiento. Esto es especialmente adecuado para su uso a temperaturas extremadamente bajas.
- J - se refiere a una aleación de hierro y constantan. Presenta una alta sensibilidad, que puede alcanzar hasta 50 μV / ° C.
- El tipo K se considera la aleación de aluminio / cromo más popular. Estos termopares pueden detectar temperaturas que oscilan entre -200 ° C y +1350 ° C. Los dispositivos se utilizan en circuitos ubicados en condiciones no oxidantes e inertes sin signos de envejecimiento. Cuando se utilizan dispositivos en un entorno bastante ácido, el cromel se corroe rápidamente y se vuelve inutilizable para medir la temperatura con un termopar.
- Tipo M: representa aleaciones de níquel con molibdeno o cobalto. Los dispositivos pueden soportar hasta 1400 ° C y se utilizan en instalaciones que funcionan según el principio de los hornos de vacío.
- Tipo N: dispositivos de nichrosil-nisil, cuya diferencia se considera resistencia a la oxidación. Se utilizan para medir temperaturas en el rango de -270 a +1300 ° C.
Te será interesante El dispositivo, el principio de funcionamiento y la aplicación del supercondensador.
Hay termopares fabricados con aleaciones de rodio y platino. Pertenecen a los tipos B, S, R y se consideran los dispositivos más estables. Las desventajas de estos convertidores incluyen un alto precio y una baja sensibilidad.
A altas temperaturas, los dispositivos hechos de aleaciones de renio y tungsteno se utilizan ampliamente. Además, según su finalidad y condiciones de funcionamiento, los termopares pueden ser sumergibles y superficiales.
Por diseño, los dispositivos tienen una unión o brida estática y móvil. Los convertidores termoeléctricos se utilizan ampliamente en las computadoras, que generalmente se conectan a través de un puerto COM y están diseñados para medir la temperatura dentro de la caja.
Efecto Seebeck
El principio de funcionamiento de un termopar se basa en este fenómeno físico. La conclusión es la siguiente: si conecta dos conductores de diferentes materiales entre sí (a veces se utilizan semiconductores), entonces circulará una corriente a lo largo de dicho circuito eléctrico.
Por lo tanto, si la unión de los conductores se calienta y enfría, la aguja del potenciómetro oscilará. La corriente también puede detectarse mediante un galvanómetro conectado al circuito.
En el caso de que los conductores estén hechos del mismo material, entonces no surgirá la fuerza electromotriz, respectivamente, no será posible medir la temperatura.
Diagrama de conexión de termopar
Los métodos más comunes para conectar instrumentos de medición a termopares son el llamado método simple, así como el diferenciado. La esencia del primer método es la siguiente: el dispositivo (potenciómetro o galvanómetro) está conectado directamente a dos conductores. Con el método diferenciado, no uno, sino ambos extremos de los conductores se sueldan, mientras que uno de los electrodos es "roto" por el dispositivo de medición.
Es imposible no mencionar el llamado método remoto de conectar un termopar. El principio de funcionamiento se mantiene sin cambios. La única diferencia es que se agregan cables de extensión al circuito. Para estos fines, un cable de cobre ordinario no es adecuado, ya que los cables de compensación deben estar hechos necesariamente de los mismos materiales que los conductores de termopar.
Desventajas de medir la temperatura con un termopar
Las desventajas de usar un termopar incluyen:
- La necesidad de un control constante de la temperatura del contacto "frío" del termopar. Esta es una característica distintiva del diseño de instrumentos de medición, que se basan en un termopar. El principio de funcionamiento de este esquema reduce el alcance de su aplicación. Solo se pueden utilizar si la temperatura ambiente es inferior a la temperatura en el punto de medición.
- Violación de la estructura interna de los metales utilizados en la fabricación de un termopar.El caso es que como consecuencia de la influencia del entorno externo, los contactos pierden su homogeneidad, lo que provoca errores en los indicadores de temperatura obtenidos.
- Durante el proceso de medición, el grupo de contacto del termopar suele estar expuesto a influencias ambientales negativas, lo que provoca fallos de funcionamiento durante el funcionamiento. Esto nuevamente requiere sellar los contactos, lo que genera costos de mantenimiento adicionales para dichos sensores.
- Existe el peligro de que las ondas electromagnéticas afecten al termopar, que está diseñado con un grupo de contactos largo. Esto también puede afectar los resultados de la medición.
- En algunos casos, existe una violación de la relación lineal entre la corriente eléctrica que surge en el termopar y la temperatura en el punto de medición. Esta situación requiere la calibración del equipo de control.
Materiales conductores
El principio de funcionamiento de un termopar se basa en la aparición de una diferencia de potencial en los conductores. Por lo tanto, la selección de los materiales de los electrodos debe abordarse de manera muy responsable. La diferencia en las propiedades químicas y físicas de los metales es el factor principal en el funcionamiento de un termopar, cuyo dispositivo y principio de funcionamiento se basan en la aparición de un EMF de autoinducción (diferencia de potencial) en el circuito.
Los metales técnicamente puros no son adecuados para su uso como termopar (con la excepción de ARMCO-hierro). Se utilizan habitualmente diversas aleaciones de metales preciosos y no ferrosos. Dichos materiales tienen características físicas y químicas estables, por lo que las lecturas de temperatura siempre serán precisas y objetivas. La estabilidad y la precisión son cualidades clave en la organización del experimento y el proceso de producción.
Actualmente, los termopares más comunes son de los siguientes tipos: E, J, K.
El principio de funcionamiento y estructura de los termopares.
El termopar consta de dos conductores y un tubo que sirve de protección para los termoelectrodos. Los termoelectrodos consisten en metales básicos y nobles, la mayoría de las veces aleaciones, fijados entre sí en un extremo (extremo de trabajo o unión caliente), por lo que forman una de las partes del dispositivo. Los otros extremos del termopar (elevadores o unión fría) están conectados al medidor de voltaje. Un EMF ocurre en el medio de dos terminales desconectados, el valor depende de la temperatura del extremo de trabajo.
Convertidores térmicos idénticos combinados en paralelo cierran el circuito, según la regla de Seebeck, consideraremos esta regla más a fondo, se forma una diferencia de potencial de contacto o efecto termoeléctrico entre ellos, aparecen cargas eléctricas en los conductores cuando se tocan, surge una diferencia de potencial entre sus extremos libres, y depende de la diferencia de temperatura. Solo cuando la temperatura entre los termoelectrodos es la misma, la diferencia de potencial es igual a cero.
Por ejemplo: Al colocar un empalme con coeficientes diferentes a cero, en dos ollas hirviendo con líquido, la temperatura del primero es 50, y el segundo es 45, entonces la diferencia de potencial será 5.
La diferencia de potencial está determinada por la diferencia de temperatura entre las fuentes. El material del que están hechos los electrodos de termopar también depende. Ejemplo: un termopar Chromel-Alumel tiene un coeficiente de temperatura de 41 y un Chromel-Constantan tiene un coeficiente de 68.
Termopar tipo K
Este es quizás el tipo de termopar más común y más utilizado. Un par de cromel - aluminio funciona muy bien a temperaturas que van desde -200 a 1350 grados Celsius. Este tipo de termopar es muy sensible y detecta incluso un pequeño salto de temperatura. Gracias a este conjunto de parámetros, el termopar se utiliza tanto en producción como en investigación científica. Pero también tiene un inconveniente importante: la influencia de la composición de la atmósfera de trabajo. Entonces, si este tipo de termopar funciona en un ambiente de CO2, entonces el termopar dará lecturas incorrectas.Esta función limita el uso de este tipo de dispositivo. El circuito y el principio de funcionamiento del termopar permanecen sin cambios. La única diferencia está en la composición química de los electrodos.
Tipos de termopares
Los requisitos técnicos para los termopares están determinados por GOST 6616-94. Las tablas estándar para termómetros termoeléctricos: las características nominales de conversión estática (NSC), las clases de tolerancia y los rangos de medición se dan en la norma IEC 60584-1.2 y en GOST R 8.585-2001.
- platino-rodio-platino - TPP13 - Tipo R
- platino-rodio-platino - TPP10 - Tipo S
- platino-rodio-platino-rodio - TPR - Tipo B
- hierro-constantan (hierro-cobre-níquel) TLC - Tipo J
- cobre-constantan (cobre-cobre-níquel) TMKn - Tipo T
- nichrosil-nisil (níquel-cromo-níquel-níquel-silicio) TNN - Tipo N.
- cromel-alumel - TXA - Tipo K
- cromel-constantan TChKn - Tipo E
- cromel-copel - THK - Tipo L
- Copela de cobre - TMK - Tipo M
- silkh-silin - ТСС - Tipo I
- tungsteno y renio - tungsteno renio - TVR - Tipo A-1, A-2, A-3
La composición exacta de la aleación de los termopares para termopares de metal base no se da en IEC 60584-1. НСХ para termopares de cromel-copel ТХК y termopares de tungsteno-renio se definen solo en GOST R 8.585-2001. No hay datos de termopar en el estándar IEC. Por esta razón, las características de los sensores importados fabricados con estos metales pueden diferir significativamente de los nacionales, por ejemplo, el Tipo L importado y el THK nacional no son intercambiables. Al mismo tiempo, por regla general, el equipo importado no está diseñado para el estándar nacional.
La norma IEC 60584 se encuentra actualmente en revisión. Está previsto introducir en los termopares estándar de tungsteno-renio de tipo A-1, para los cuales NSX corresponderá a la norma rusa, y tipo C según la norma ASTM [6].
En 2008, IEC introdujo dos nuevos tipos de termopares: oro-platino y platino-paladio. La nueva norma IEC 62460 establece tablas estándar para estos termopares de metal puro. Todavía no existe un estándar ruso similar.
Comprobación del funcionamiento del termopar
Si el termopar falla, no se puede reparar. Teóricamente, puede, por supuesto, arreglarlo, pero si el dispositivo mostrará la temperatura exacta después de eso es una gran pregunta.
A veces, la falla de un termopar no es obvia y obvia. En particular, esto se aplica a los calentadores de agua a gas. El principio de funcionamiento de un termopar sigue siendo el mismo. Sin embargo, juega un papel ligeramente diferente y no está diseñado para visualizar lecturas de temperatura, sino para el funcionamiento de la válvula. Por lo tanto, para detectar un mal funcionamiento de dicho termopar, es necesario conectarle un dispositivo de medición (probador, galvanómetro o potenciómetro) y calentar la unión del termopar. Para hacer esto, no es necesario mantenerlo sobre un fuego abierto. Basta con apretarlo en un puño y ver si la flecha del dispositivo se desvía.
Las razones del fallo de los termopares pueden ser diferentes. Por lo tanto, si no coloca un dispositivo de protección especial en el termopar colocado en la cámara de vacío de la unidad de nitruración de plasma iónico, con el tiempo se volverá cada vez más frágil hasta que uno de los conductores se rompa. Además, no se excluye la posibilidad de un funcionamiento incorrecto del termopar debido a un cambio en la composición química de los electrodos. Después de todo, se violan los principios fundamentales del termopar.
Los equipos de gas (calderas, columnas) también están equipados con termopares. La principal causa de falla de los electrodos son los procesos oxidativos que se desarrollan a altas temperaturas.
En el caso de que las lecturas del dispositivo sean deliberadamente falsas, y durante un examen externo, no se encontraron abrazaderas débiles, lo más probable es que la razón sea la falla del dispositivo de control y medición. En este caso, debe devolverse para su reparación.Si tiene las calificaciones adecuadas, puede intentar solucionar el problema usted mismo.
Y en general, si la aguja del potenciómetro o el indicador digital muestra al menos algunos "signos de vida", entonces el termopar está en buen estado de funcionamiento. En este caso, el problema es claramente otra cosa. Y, en consecuencia, si el dispositivo no reacciona de ninguna manera a los cambios obvios en el régimen de temperatura, entonces puede cambiar el termopar de manera segura.
Sin embargo, antes de desmontar el termopar e instalar uno nuevo, debe asegurarse completamente de que esté defectuoso. Para hacer esto, basta con hacer sonar el termopar con un probador ordinario o, mejor aún, medir el voltaje de salida. Es poco probable que solo un voltímetro ordinario ayude aquí. Necesitará un milivoltímetro o un probador con la capacidad de seleccionar una escala de medición. Después de todo, la diferencia de potencial es un valor muy pequeño. Y un dispositivo estándar ni siquiera lo sentirá y no lo arreglará.
Caracteristicas de diseño
Si somos más escrupulosos con el proceso de medición de la temperatura, entonces este procedimiento se realiza mediante un termómetro termoeléctrico. El principal elemento sensible de este dispositivo es un termopar.
El proceso de medición en sí ocurre debido a la creación de una fuerza electromotriz en el termopar. Hay algunas características de un dispositivo de termopar:
- Los electrodos están conectados en termopares para medir altas temperaturas en un punto mediante soldadura por arco eléctrico. Al medir pequeños indicadores, dicho contacto se realiza mediante soldadura. Los compuestos especiales en los dispositivos de tungsteno-renio y tungsteno-molibdeno se llevan a cabo utilizando giros ajustados sin procesamiento adicional.
- La conexión de los elementos se realiza solo en el área de trabajo, y en el resto de la longitud están aislados entre sí.
- El método de aislamiento se lleva a cabo en función del valor de temperatura superior. Con un rango de valores de 100 a 120 ° C, se utiliza cualquier tipo de aislamiento, incluido el aire. Los tubos o perlas de porcelana se utilizan a temperaturas de hasta 1300 ° C. Si el valor alcanza los 2000 ° C, se utiliza un material aislante de óxido de aluminio, magnesio, berilio y circonio.
- Se utiliza una cubierta protectora exterior en función del entorno en el que se mide la temperatura. Está realizado en forma de tubo metálico o cerámico. Esta protección proporciona impermeabilización y protección de la superficie del termopar frente a esfuerzos mecánicos. El material de la cubierta exterior debe poder soportar la exposición a altas temperaturas y tener una excelente conductividad térmica.
Te será interesante Instalación de un panel eléctrico debajo del medidor y máquinas.
El diseño del sensor depende en gran medida de las condiciones de su uso. Al crear un termopar, se tienen en cuenta el rango de temperaturas medidas, el estado del entorno externo, la inercia térmica, etc.
Beneficios del termopar
¿Por qué los termopares no han sido reemplazados por sensores de medición de temperatura más avanzados y modernos durante un historial de funcionamiento tan largo? Sí, por la sencilla razón de que hasta ahora ningún otro dispositivo puede competir con él.
Primero, los termopares son relativamente baratos. Aunque los precios pueden fluctuar en un amplio rango como resultado del uso de ciertos elementos y superficies de protección, conectores y conectores.
En segundo lugar, los termopares son sencillos y fiables, lo que les permite funcionar con éxito en entornos químicos y de temperatura agresivos. Dichos dispositivos incluso se instalan en calderas de gas. El principio de funcionamiento de un termopar siempre es el mismo, independientemente de las condiciones de funcionamiento. No todos los demás tipos de sensores podrán resistir tal impacto.
La tecnología de fabricación y fabricación de termopares es sencilla y fácil de implementar en la práctica.En términos generales, basta con torcer o soldar los extremos de los cables de diferentes materiales metálicos.
Otra característica positiva es la precisión de las medidas y el error insignificante (solo 1 grado). Esta precisión es más que suficiente para las necesidades de la producción industrial y para la investigación científica.
Tipos de uniones de termopar
La industria moderna produce varios diseños que se utilizan en la fabricación de termopares:
- con un cruce abierto;
- con un cruce aislado;
- con un empalme a tierra.
Una característica de los termopares de unión abierta es la poca resistencia a las influencias externas.
Los siguientes dos tipos de construcción se pueden utilizar al medir temperaturas en medios agresivos que tienen un efecto destructivo en el par de contactos.
Además, en la actualidad, la industria está dominando los esquemas para la producción de termopares utilizando tecnologías de semiconductores.
Desventajas del termopar
No hay muchas desventajas de un termopar, especialmente si se compara con sus competidores más cercanos (sensores de temperatura de otro tipo), pero aún así lo son, y sería injusto guardar silencio al respecto.
Entonces, la diferencia de potencial se mide en milivoltios. Por tanto, es necesario utilizar potenciómetros muy sensibles. Y si tenemos en cuenta que los dispositivos de medición no siempre se pueden colocar en las inmediaciones del lugar de recolección de datos experimentales, entonces se deben usar algunos amplificadores. Esto provoca una serie de inconvenientes y conduce a costes innecesarios en la organización y preparación de la producción.
Tipos de termopares
- Cromo-aluminio
... Se utilizan principalmente en la industria. Características características: amplio rango de temperatura de medidas -200 ... + 13000 ° C, costo asequible. No aprobado para uso en comercios con alto contenido de azufre. - Cromel-copel
... La aplicación es similar al tipo anterior, la característica es la preservación del rendimiento solo en medios líquidos y gaseosos no agresivos. A menudo se utiliza para medir temperaturas en hornos de hogar abierto. - Constante de hierro
... Efectivo en una atmósfera enrarecida. - Platino-rodio-platino
... Más caro. Se caracterizan por lecturas estables y precisas. Se utiliza para medir altas temperaturas. - Tungsteno-renio
... Por lo general, tienen cubiertas protectoras en su diseño. El campo de aplicación principal es la medición de medios con temperaturas ultra altas.
