Sensores de temperatura - termopares
(124)Uno de los grupos de sensores de uso común son los sensores de temperatura. Muy a menudo se mide, entre otros en máquinas industriales o durante varios tipos de procesos que deben tener lugar a una temperatura específica, por lo que los sensores de temperatura se utilizan en muchas industrias, laboratorios, equipos de control y medición y departamentos de I+D. Su medición es útil o incluso necesaria durante todo tipo de trabajos electrónicos realizados por entusiastas del bricolaje, por ejemplo, al cargar celdas de batería, soldar/desoldar componentes con aire caliente en PCB, al construir sistemas en los que la temperatura es uno de los valores controlados y controlados. También en las cada vez más populares impresoras 3D, el sensor de temperatura es necesario para controlar el grado de calentamiento del cabezal de impresión o de la base térmica, lo que permite asegurar la calidad de impresión adecuada.
Entre los sensores de temperatura destacan sus subgrupos. Esto se debe a diferencias en la estructura y el modo de funcionamiento. Los más populares son los termistores NTC, termistores PTC, sensores de temperatura de resistencia y termopares.
Sensores de temperatura – construcción del termopar
Los termopares son dispositivos fáciles de construir, fiables y duraderos, por lo que son uno de los sensores más utilizados para la medición de temperatura. Los sistemas que los utilizan operan sobre la base de la medición del voltaje (diferencia de potencial) creado en un circuito eléctrico cerrado, producido por un termopar, es decir, un termopar que consta de dos cables de termopar. Estos cables están hechos de varios conductores o semiconductores, seleccionados de tal manera que a medida que aumenta la temperatura medida, aumenta la tensión generada en su contacto, lo que se denomina tensión termoeléctrica. Aquí funciona el llamado efecto Seebeck, por el cual las juntas llamadas frías y calientes deben colocarse a diferentes temperaturas. En la práctica, la temperatura de referencia se mide mediante un sensor independiente en el sistema de medición en el bloque de referencia isotérmico.
Tipos y rangos de termopares
Los termopares, según los materiales utilizados para construir el termopar, se dividen en los siguientes tipos: J, T, K, E, N, S, R, B. Son marcas estandarizadas que indican el tipo de materiales utilizados para crear los sensores. Las características de los tipos individuales de termopares, que determinan los valores de la fuerza termoeléctrica para cada uno de ellos, se describen en la norma PN-EN60584-1: 2014-04. Los más utilizados son termopares J (Fe-CuNi), K (NiCr-NiAl), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CiNi) y N (NiCrSi-NiSi), para los cuales dichos materiales son utilizados como hierro (Fe), cobre (Cu), níquel (Ni), cromo (Cr), silicio (Si) o aluminio (Al), es decir, sin el uso de metales nobles. El rango de temperatura que se puede medir con estos sensores depende del tipo específico de termopar. Para los termopares tipo T, la temperatura máxima de medición es de solo 350°C, pero para los termopares tipo K y N es incluso 1200°C. El límite inferior del rango de temperatura para los tipos de termopar enumerados y más comúnmente utilizados es de alrededor de -50°C, aunque algunos de ellos pueden ser capaces de medir temperaturas más bajas, tan bajas como -200°C.
Termopares de alta temperatura
Para la medición de temperaturas más altas, se utilizan los llamados termopares de alta temperatura, hechos de metales nobles, a saber, platino (Pt) y rodio (Rh). Estos son termopares tipo S (Pt10Rh-Pt), R (Pt13Rh-Pt) y B (Pt30Rh-Pt6Rh) . Pueden trabajar y medir temperaturas hasta aproximadamente 1600°C, con termopares tipo B incluso hasta 1800°C. Debido al uso de metales nobles en su construcción, son más costosos que los termopares de los tipos J, T, K, E y N mencionados anteriormente.
El uso de sensores de temperatura.
El sistema de medición, que utiliza un sensor de termopar para medir el valor de temperatura, normalmente consta de: un termopar (termopares), cables que conectan el sensor al dispositivo de medición y el dispositivo de medición antes mencionado, por ejemplo, en forma de milivoltímetro o un avanzado transductor. Tenga en cuenta que las características del termopar no son lineales y varían para cada tipo. Por esta razón, en los sistemas de medición, la linealización digital se usa con mayor frecuencia, realizada por un sistema de microprocesador, porque la linealización analógica es ineficaz en términos de costos. Debido al voltaje muy bajo obtenido de dicho sensor, del orden de unos pocos microvoltios por un grado Celsius, se utilizan amplificadores de señal y varios tipos de filtros para hacer que la medición obtenida sea lo más precisa posible y consistente con la temperatura real medida.
Selección del sensor de temperatura
Hay varios factores a considerar al decidir comprar un termopar para medir la temperatura de su dispositivo o proceso. El primero es, por supuesto, el rango de temperatura que se medirá. Es extremadamente importante que el rango del valor de temperatura medido esté dentro del rango de medición del tipo de sensor seleccionado. De lo contrario, como resultado de un intento de medir con un sensor seleccionado incorrectamente, puede obtener información falsa o incompleta sobre los procesos que tienen lugar en el entorno probado, o incluso provocar daños permanentes en el sensor. La selección de un sensor con un rango de temperatura apropiado también es importante por razones económicas. Los sensores más costosos, que utilizan metales preciosos en su construcción, pueden tener un rango de medición más amplio y medir temperaturas mucho más altas, pero en el proceso cuya temperatura se mide, es posible que nunca ocurran. En este caso, la compra de un sensor más caro no está justificada y puede resultar un gasto adicional innecesario.
Otro aspecto a considerar es la longitud del cable. Vale la pena señalar aquí que, a diferencia de otros sensores, incluidos algunos sensores de temperatura, los termopares siempre tienen dos cables. La longitud del cable debe seleccionarse para que sea suficiente. Si el cable es demasiado corto, es posible que no sea posible conectar el sensor al dispositivo de medición y que no sea posible extenderlo. Por otro lado, un cable demasiado largo puede provocar mayores perturbaciones de la señal, que pueden ser causadas por todo tipo de efectos de perturbaciones electromagnéticas ubicuas, por ejemplo, de una red eléctrica estándar con una corriente alterna de 50Hz y 230V. También puede encontrar termopares con cabezal de conexión, es decir, sin el cable proporcionado por el fabricante.
Los terminales de los sensores tienen un aislamiento especial de teflón o fibra de vidrio resistente a altas temperaturas, que los protege contra daños causados por temperaturas demasiado altas y la posibilidad de cortocircuitos. La fibra de vidrio es más resistente a altas temperaturas y solo se ablanda alrededor de 740°C, mientras que el punto de ablandamiento del teflón es de alrededor de 260°C. Por esta razón, también debe predecir las condiciones de temperatura a las que puede estar expuesto el cable de conexión del termopar y seleccionar el que tenga el aislamiento adecuado.
La punta del sensor y sus dimensiones externas también son importantes. Por lo general, para proteger la soldadura de daños físicos o contaminación del termopar, se coloca en una carcasa en forma de cilindro de metal, cerámica o porcelana. Puede encontrar diferentes extremos de dicha cubierta: plana, semicircular y también cónica, con un ángulo de apertura de 118°. Normalmente, las dimensiones de dicho sensor están determinadas por su diámetro y longitud, pero también se encuentran sensores con un ojal.
Por supuesto, no debe olvidar hacer coincidir el tipo de termopar con su sistema de medición o el sistema de medición con su tipo de termopar. El fabricante de sistemas destinados a leer valores de temperatura con el uso de un termopar define claramente con qué tipo de sensor puede trabajar. El usuario debe seguir estas pautas para asegurarse de que la lectura de temperatura sea verdadera y que no dañe ninguno de los componentes utilizados.
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