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Warning: TT: undefined function: 32TERMOPARESJOSÉ ANTONIO RODRÍGUEZ JIMÉNEZDNI: 77184825-E3º GIEL AÍNDICE DE CONTENIDOS Introducción o ¿Qué son y para qué sirven los termopares? Historia Principio de funcionamiento de un termopar o Efecto termoeléctrico o Efecto Peltier Tipos de termopares o Clasifi...

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TERMOPARES

JOSÉ ANTONIO RODRÍGUEZ JIMÉNEZ DNI: 77184825-E 3º GIEL A

Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez

ÍNDICE DE CONTENIDOS •

Introducción o ¿Qué son y para qué sirven los termopares?

•

Historia

•

Principio de funcionamiento de un termopar o Efecto termoeléctrico o Efecto Peltier

•

Tipos de termopares o Clasificación o Según Industria o Según rango de temperatura o Materiales empleados en su fabricación

•

Usos en la industria

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Ventajas e inconvenientes

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Referencias y bibliografía

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Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez

Introducción ¿Qué son y para qué sirven los termopares? Con el desarrollo de la automatización de procesos en la industria, aunque también con los procesos controlados por operarios, han hecho necesario la introducción de diferentes sensores para monitorizar de forma externa los procesos realizados, así como los distintos factores que puedan afectar a la calidad final de un producto determinado. Tales factores pueden ser medidos por diferentes sensores, en este trabajo nos centraremos en los sensores de temperatura, concretamente en los termopares. Un termopar es un dispositivo que gracias a su tamaño y rango de temperaturas es uno de los dispositivos para la medición de la temperatura más usados en la industria, con ellos se pueden realizar mediciones de temperatura que van desde los -250ºC hasta temperaturas superiores a los 2000ºC. Están formados por dos cables de metales o aleaciones diferentes entre ellos, los cuales se encuentran unidos en un extremo y en el otro se encuentran separados, cuando en la unión existe una diferencia de temperatura, en la unión se genera una fuerza electromotriz, lo que hace que se induzca una pequeña tensión la cuál se puede leer e interpretar y así conocer la temperatura a la que se encuentra expuesto el termopar.

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Historia En 1826, el físico Thomas Johann Seebeck se dio cuenta de que dos metales diferentes unidos por uno de sus extremos, el cuál era expuesto a una fuente externa de calor, en los extremos libres se generaba una fuerza electromotriz, en estos extremos libres se conectaba un galvanómetro muy sensible para medir la pequeña diferencia de tensión generada entre ellos. Con este descubrimiento Seebeck descubrió la forma de convertir una fuente de temperatura a tensión eléctrica y viceversa, actualmente esto lo conocemos como efecto termoeléctrico. Seebeck prosiguió con sus experimentos, montando los primeros termopares y descubriendo las propiedades de los diferentes conductores usados según la diferencia de temperatura existente. Con la llegada de la revolución industrial y la automatización de procesos, la medición de la temperatura en las diferentes máquinas empleadas en las industrias, hicieron que los termopares pasaran a un nuevo nivel, dada su versatilidad, pequeño tamaño y precio, eran los indicados para emplearlos en las máquinas y así poder controlar su temperatura desde el exterior sin la necesidad de tener un operario para realizar esta función. Aún en la actualidad los termopares forman parte de la industria, dado que no constan de partes electrónicas ni mecánicas no sufren desgaste, esto hace que se empleen en prácticamente todo tipo de maquinaria, pasando de lo más simple como puede ser controlar la temperatura del agua en un calentador de agua doméstico como su uso en la industria aeronáutica.

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Principio de funcionamiento de un Termopar Efecto Termoeléctrico Como ya se ha comentado anteriormente, se basan en el efecto termoeléctrico descubierto por Seebeck, el cuál convierte una diferencia de temperatura directamente a electricidad. Seebeck descubrió que en un circuito formado por la unión de dos alambres de diferentes conductores o semiconductores, en este circuito existía un galvanómetro muy sensible, cuando en los extremos se aplicaba una fuente de calor la aguja del galvanómetro se desviaba.* La fuerza electromotriz termoeléctrica existente se crea según una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes, en los extremos de cada metal, los electrones se ven excitados de manera diferente provocando una diferencia de potencial en la unión de los metales, lo que hace que se induzca una corriente al circuito, la cuál produce un campo magnético. La tensión creada es del orden de varios microvoltios por grado Kelvin de diferencia, cada combinación de materiales tiene una tensión asociada según los Kelvin a los que se encuentre en los terminales, esta relación entre Voltios y Kelvin se denomina coeficiente Seebeck el cual mide la magnitud del voltaje termoeléctrico inducido en respuesta a una diferenciad de temperatura a través del material *El circuito formado como el que se muestra en la figura, siendo A o B uno u otro de los diferentes conductores o semiconductores.

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Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Efecto Peltier Al contrario que el efecto termoeléctrico de Seebeck, en el efecto Peltier se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones se encuentran a la misma temperatura, en este caso una de las uniones absorbe calor y la otra unión lo desprende. Al igual que en los termopares, se encuentran formados por dos conductores diferentes, los cuales pueden absorber o generar altas temperaturas, dado que, en este efecto, al cambiar la polaridad de la corriente, también se cambia el conductor que genera calor, es decir, se invierte el funcionamiento. Este fenómeno se aprovecha en mayor medida con las denominadas células Peltier, en ellas los semiconductores se unen consecutivamente a lo largo de una superficie según la figura, consta de dos cables, un positivo y un negativo, así como dos placas cerámicas, por una de las cuales se absorbe el frío y por la otra placa se disipa el calor generado, pero como ya hemos comentado antes, este efecto es reversible.

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Tipos de Termopares Clasificación de los Termopares según Industria •

Cable termopar con cuentas Es la forma de termopar más simple existente, se compone de dos piezas de alambre termopar unidas en sus extremos mediante una soldadura, normalmente se usa para la medición de temperatura en gases, dado que su simplicidad la hace su mayor virtud dado que puede reducirse muchísimo su tamaño y su velocidad de respuesta es extraordinariamente rápida, así mismo no deben usarse en líquidos que puedan ser corrosivos debido a que los terminales se encuentran expuestos

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Sonda termopar La sonda termopar consta de un alambre termopar alojado en un tubo de acero inoxidable o Inconel, aunque el acero inoxidable es mayormente usado dada su gran compatibilidad química. La punta de la sonda termopar está disponible en tres estilos, los cuales son: Aterrizada: el termopar se encuentra unido al tubo exterior, lo cuál hace que la medición se más rápida. Aislada: el termopar se encuentra dentro de la cápsula de acero y separado de ella por una capa aislante, son buenos para medir líquidos ya que, no les afecta la corrosión. Expuesto: la conexión de ambos cables termopares se produce en el exterior de la cápsula de acero, es la más usada para la medición de temperatura en gases.

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Sonda termopar de superficie La medición de temperaturas en una superficie sólida es francamente difícil con la mayoría de sensores de temperatura, debido a la maleabilidad de los materiales con los que están fabricados, los termopares pueden estar fabricados por una unión lo suficientemente plana y fina como para proporcionar el máximo contacto con la superficie de medición.

Los tipos de sonda termopar anteriormente presentados, son los más empleados, así como los casos más básicos, de los cuales derivan los diferentes tipos existentes según el uso que se les pretenda dar, por ejemplo, las sondas termopar con punta aislada suelen tener en su extremo una rosca para fijarlas en la posición de lectura que interesa en el interior de un motor de combustión para controlar temperaturas tanto de agua, aceite, etc. 8

Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Materiales empleados en su fabricación El tipo de termopar se define por la combinación de materiales empleados en su fabricación, así como el rango de temperaturas capaz de abarcar, los más comunes son los tipos J, K, T, E, R, S y B. Estos tipos los podemos distinguir entre termopares básicos (J, K, E, T) y termopares nobles (R, S, B), los cuales son fabricados con aleaciones de platino, lo cuál hace que su precio se encarezca significativamente. Termopares básicos:

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Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Termopares nobles:

También podemos destacar la existencia de los termopares especiales, los cuales se usan en aplicaciones determinadas o con rango de temperatura muy elevado, entre ellos se encuentran: •

Tungsteno/ Rhenio (Hasta 2300ºC de forma continua)

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Iridio/ Rhodio (Hasta 2000ºC en ciclos cortos de tiempo)

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Oro/Hierro (Se usan particularmente en la criogenización)

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Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Al igual que las resistencias, los termopares se clasifican según un código de colores establecidos internacionalmente según el color del forro exterior de los cables que lo forman, los cuales son los siguientes.

Usos en la industria Como anteriormente se ha mencionado desde el inicio de las primeras fábricas hasta la actualidad, el uso de los termopares ha abarcado todos los procesos en los cuáles existe una fuente de calor a controlar, tanto de la industria como en nuestros hogares. En la mayoría de procesos el termopar más usado es el de tipo K dada su versatilidad y amplitud térmica, su uso generalmente es: •

Industria de la construcción (control de procesos)

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Industria del plástico y caucho

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Automoción (Medida de temperatura en frenos) 11

Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Los termopares nobles y especiales tienen su uso generalmente en: •

Industria metalúrgica (Control de temperatura en altos hornos)

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En criogenia (Control de temperaturas muy bajas)

Ventajas e inconvenientes Ventajas del uso de termopares Los termopares proporcionan la posibilidad de medidas en un amplio rango de temperaturas, de ±-200ªC hasta ±2600ºC, esto hace que se puedan usar en muchas circunstancias y diferentes industrias, su amplio rango de temperatura, les permiten ser usados a muy altas temperaturas, en las cuales la mayoría de indicadores térmicos no funcionan. Otra gran ventaja de los termopares es que tienen la capacidad de ponerse en contacto con el material sobre el que se está midiendo sin que la lectura se vea afectada, dado que los termopares miden tensiones hay que asegurarse de que el termopar se encuentre conectado a tierra para obtener la medida correctamente. Debido a su bajo precio, fiabilidad y versatilidad, el uso de termopares sigue siendo muy extenso en la mayoría de industrias, aunque actualmente los aparatos de medida electrónicos estén extendiéndose por las industrias, no pueden competir entorno a precios con los termopares. Inconvenientes Como los termopares se encuentran fabricados por la unión de dos metales diferentes, existe el riesgo de corrosión en alguno de ellos, algunas veces difícilmente detectables, lo que haría que la lectura fuese errónea, por lo tanto, el mantenimiento adecuado es esencial.

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Termopares | José Antonio Rodríguez Jiménez Otra de sus grandes desventajas es la calibración de los termopares, ya que se necesita otro termopar calibrado con anterioridad para realizar correctamente la calibración, aunque esta puede ser francamente tediosa y difícil. Además, la calibración de los termopares ha de hacerse periódicamente en laboratorios acreditados por la ENAC (Entidad Nacional de Acreditación) en España, lo que hace que a lo largo de los años su reemplazo sea más rentable que su calibración.

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Referencias y bibliografía [1]

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