Principios Básicos de Termocuplas

Transcripción

1 Hoja de Información /12 Construcción y aplicación de termocuplas Principio de funcionamiento de las termocuplas. Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones (termopar o termoelementos); uno de los extremos, la junta de medición está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores (termoelementos) salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia. Se produce entonces una fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (figura 2). Dado que el principio de medición se basa en la diferencia de temperatura entre la junta de medición y la de referencia, la temperatura en la junta de referencia debe ser conocida y constante. De no ser esto posible, dicha temperatura deberá ser determinada por un segundo sensor. Figura 2: esquema de una termocupla y su sistema de medición. Junta de medición Junta de conexión Cable compensado Junta de referencia Tabla 1: Termocuplas según IEC Termocupla Termocuplas según las Normas IEC-584 y DIN Debido al gran número de posibles combinaciones de metales, algunas de ellas han sido seleccionadas (Tablas 1 y 2) y sus tablas de valores termoeléctricos y de tolerancias han sido incorporados en especificaciones estándar (tabla). Nótese que han sido estandarizados dos tipos de termocuplas (Hierro vs. Cobre-Níquel) y (Cobre vs. Cobre-Níquel) tanto en IEC 584 y DIN pero en la actualidad las termocuplas tipo L y U se utilizan con menos frecuencia. En las termocuplas listadas en la tabla el primer conductor siempre es el positivo y los colores se aplicarán tanto a los conductores como a los cables. En los casos en los que los conductores en las termocuplas no estén identificados por color se podrán identificar de la siguiente forma: Tipo J: El conductor positivo es magnético. Tipo T y U: El conductor positivo es color cobre. Tipo K: El conductor negativo es magnético. Tipo S y R: El conductor negativo es más maleable que el positivo. Estas distinciones no se aplican a los cables compensados. Rango de uso Conductor Positivo Conductor Negativo Tipo J, ( Fe - CuNi ) - 40 a C Negro Blanco Tipo T, ( Cu - CuNi ) - 40 a C Marrón Blanco Tipo K, ( NiCr - Ni ) - 40 a C Verde Blanco Tipo E, ( NiCr - CuNi ) - 40 a C Violeta Blanco Tipo N, ( NiCrSi - NiSi ) - 40 a C Púrpura Blanco Tipo S, ( Pt 10% Rh - Pt ) - 40 a C Naranja Blanco Tipo R, ( Pt 13% Rh - Pt ) 0 a C Naranja Blanco Tipo B, ( Pt 30% Rh - Pt 6% Rh) +600 a 1700 C Cables compensados según normas IEC y DIN Los cables compensados para termocuplas según IEC o DIN tienen sus características eléctricas y mecánicas especificadas en las normas IEC y la DIN Sus aleaciones tienen la misma composición química que las termocuplas a que corresponden cuando se los denomina cables de extensión. En cambio los cables compensados se fabrican con aleaciones de materiales especiales pero con las mismas características termoeléctricas de las termocuplas con las que deban trabajar, esto siempre dentro de un limitado rango de temperatura ambiente, y que será el ambiente donde estarán tendidos. Se los designa con un código de tres letras como se ve a continuación: Primera letra: termocupla con la que trabaja Segunda letra: X: mismo material que la termocupla ( idéntica aleación ) C: material especial Tercera letra: muchas aleaciones compensadas se designan con una tercera.

2 Hoja de Información /12 Tabla 2: Termocuplas según DIN Termocupla Rango de uso Conductor Positivo Ejemplo: KX: cable de extensión para termocupla tipo K, aleación ídem termocupla RCA: cable compensado para termocupla tipo R, aleación especial, material tipo A. Con respecto a las tolerancias de los cables de extensión y compensados se rigen por las normas antes mencionadas. Existen dos clases de tolerancias clase 1 y 2, la tolerancia clase 1 es la más estrecha y solo se consigue con las aleaciones que son iguales a las de sus termocuplas (cables de extensión). Conductor Negativo Tipo L, Hierro vs. Cobre Níquel 600 C Rojo Azul Tipo U, Cobre vs. Cobre Níquel -40 a 600 C Rojo Marrón Tabla 3: Tolerancias según IEC Termocupla Fe-CuNi Cu-CuNi NiCr-Ni Y NiCrSi-NiSi NiCr-CuNi Pt10Rh-Pt Y Pt13Rh-Pt Pt30Rh- Pt6Rh J T K N E S R B Tolerancias Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 1 Clase 2 Clase 3-40 a 750 C : ± t -40 a 750 C : ± t -40 a 350 C : ± t -40 a 350 C : ± t -200 a 40 C : ± t -40 a 1000 C : ± t -40 a 1200 C : ± t -200 a 40 C : ± t -40 a 800 C : ± t -40 a 900 C : ± t -200 a 40 C : ± t 0 a 1600 C : ± [1+(t-1100) 0.003] -40 a 1600 C : ± t +600 a 1700 C : ± t +600 a 1700 C : ± t Tabla 4: Tolerancias según DIN (1977) Termocupla Tipo Tolerancias Cu-CuNi Fe-CuNi U L -100 a 400 C : ± 3 C 400 a 600 C : ± 0.75 C 100 a 400 C : ± 3 C 400 a 900 C : ± 0.75 C o ± 1.5 C o ± 2.5 C o ± 0.5 C o ± 1.0 C o ± 1.0 C o ± 1.5 C o ± 2.5 C o ± 2.5 C o ± 1.5 C o ± 2.5 C o ± 2.5 C o ± 1.0 C o ± 1.5 C o ± 1.5 C o ± 4.0 C Los cables compensados se proveen siempre en clase 2. Como puede verse en la tabla 5, la temperatura de operación rige para toda la longitud del cable que será expuesta, incluyendo la terminación que se conectará a bornes de la termocupla, para no exceder la tolerancia espe-cificada. Adicionalmente puede verse limitada por la temperatura máxima de utilización del material aislante que protege al cable. En vista de la no linealidad de las fuerzas electromotrices de las termocuplas, las tolerancias están indicadas en mv y también en ºC pero solo aplicable a la temperatura que se indica en la columna de la derecha. Esto significa que por ejemplo: Una termocupla tipo J conectada mediante un cable de extensión tipo JX clase 2. Si la medición de temperatura se mantiene constante en 500 ºC y los terminales y el cable de extensión tienen a lo largo de su longitud una variación de temperaturas desde -25ºC hasta 200 ºC, la temperatura indicada no varia más de ± 2,5 ºC. Código de colores para cables compensados y de extensión Los colores para cables según DIN están especificados en la norma DIN (1990). Para termocuplas según IEC 584 el conductor positivo tiene el mismo color que la cubierta exterior, el negativo es siempre blanco, para más información por favor consulte la hoja técnica Las "antiguas" termocuplas tipo L y U según DIN tienen códigos diferentes. Para el cable correspondiente a la termocupla tipo B no hay codificación designada. Por la curva tan "plana" característica de la termocupla tipo B, se puede utilizar conductor de cobre en lugar de cable compensado. De acuerdo a la DIN los cables serán retorcidos entre ellos para mejor protección de campos electromagnéticos. Se puede proveer protección adicional por blindaje de cinta o pantalla también puede ser provisto. La resistencia de aislación entre los conductores y entre conductor y cubierta no debe ser menor a 100 megohm / m a la máxima temperatura de operación. La tensión de prueba debe ser superior a 500 VCA.

3 Hoja de Información /12 Tabla 5: Tolerancias límites para cables compensados y de extensión según IEC Termocupla y tipo de alambre Tolerancia Clase Rango de temperatura de operación Temp. Med. 1 2 C C JX ± 85 mv / ± 1.5 C ± 140 mv / ± 2.5 C - 25 a TX ± 30 mv / ± 0.5 C ± 60 mv / ± 1.0 C - 25 a EX ± 120 mv / ± 1.5 C ± 200 mv / ± 2.5 C - 25 a KX ± 60 mv / ± 1.5 C ± 100 mv / ± 2.5 C - 25 a NX ± 60 mv / ± 1.5 C ± 100 mv / ± 2.5 C - 25 a KCA --- ± 100 mv / ± 2.5 C 0 a KCB --- ± 100 mv / ± 2.5 C 0 a NC --- ± 100 mv / ± 2.5 C 0 a RCA --- ± 30 mv / ± 2.5 C 0 a RCB --- ± 60 mv / ± 5.0 C 0 a SCA --- ± 30 mv / ± 2.5 C 0 a SCB --- ± 60 mv / ± 5.0 C 0 a Fig. 1: Termocupla recta tipo AK con termopozo de protección cerámica. Termocuplas de tipo intercambiable con cabezal de conexiones Estas termocuplas son una construcción modular la cuál consiste en la propia termocupla, el tubo o termopozo de inserción, la bornera de conexión, una termopozo exterior o de protección y el cabezal. Puede ser provista también con una brida o una rosca para conectar al proceso. Construcciones de termocuplas Hay una gran variedad de diseños de termocuplas para las numerosas y diversas aplicaciones. En su diseño más común, los termoele-mentos (alambres) de los materia-les deseados se unen, normal-mente mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados después de la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia como ser fibra de vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo teflón), aisladores cerámicos, fibra cerámica, polvo cerámico, etc. Los alambres (termoelementos) pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o termopozo de protección. Los tubos y los termopozos de protección se usan casi siempre para proteger los termoelementos desnudos, mientras las termocuplas del tipo compactadas con blindaje protector metálico pueden brindar suficiente protección mecánica y al ataque químico sin tubo o termopozo en la mayoría de los casos. Más allá del gran número de construcciones especiales de termocuplas, existen una serie de modelos cuyos componentes están completa-mente definidos por especifica-ciones estándar. Termocuplas con cabezal de conexiones Esta construcción consta de la propia termocupla, la cuál está protegida por un termopozo exterior del material adecuado, la bornera de conexiones y el cabezal. Puede ser provista también con una brida o una rosca para conectar al proceso. Largo nominal Tubo soporte Cabezal de conexiones tipo DIN A Termopar Aislador Termopozo interior Termopozo exterior Fig. 2: Sonda intercambiable de termocupla. Al conjunto formado por la termocupla con su termopozo y bornera (sujeta al termopozo por un disco de bronce), se lo denomina inserto intercambiable y el mismo está en permanente contacto con el fondo del termopozo de protección garantizando una mejor transferencia de temperatura. Esta construcción tiene una mejor velocidad de respuesta que la anterior y además permite el intercambio del sensor ante una rotura o una eventual calibración del mismo sin necesidad de interrumpir el proceso. Dadas las ventajas con respecto a la construcción fija, las termocuplas de tipo intercambiable son cada vez frecuentes.

4 Hoja de Información /12 Elección de vainas y tubos de protección Puesto que son muchas las aplicaciones que exponen los termoelementos a condiciones ambientales adversas, por lo general las termocuplas han de contar con protección. Los tubos y las vainas de protección se eligen generalmente en base a las condiciones corrosivas que se esperan, mas consideraciones de abrasión, vibración, porosidad, velocidad de fluido, presión, costo y requerimientos de reemplazo y montaje. Se dispone de vainas para sensores con diámetros varios y de las más amplia variedad ya sean del tipo metálicas o cerámicas. Los tubos de protección son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un montaje hermético de protección en el recipiente de proceso. Por lo general, los tubos se utilizan en instalaciones a presión atmosférica. Se los fabrica de metal o materiales cerámicos, como ser porcelana Mullite, Sillimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras aleaciones. Las termocuplas de platino requieren normalmente un conjunto de dos tubos para impedir la contaminación por vapores metálicos o gases. El tubo interior se hace de un material como porcelana o Silimanita y brinda protección contra los gases corrosivos y el tubo exterior se hace de grafito, carburo de silicio o Silimanita porosa, para lograr resistencia mecánica y protección contra shock térmico Cabezales de conexión: Para los cabezales de conexión, la norma DIN define las formas A y B las cuales difieren levemente en las medidas y en la forma. Existen actualmente en el mercado numerosos tipos y modelos de cabezales los cuales difieren en forma y en tamaño dependiendo de las aplicaciones para los que fueron diseñados. Fig. 3: Cabezal normalizado modelo DINAsegún DIN Termocuplas con cable compensado En esta construcción la termocupla es conectada directamente al cable compensado e inserta en el tubo de protección. Por lo general la temperatura máxima de uso en estas construcciones está determinada por el material del cable compensado que se utilice. En la siguiente tabla se aprecian las temperaturas límite para los materiales de aislación de los cables compensados. Material Temperatura máxima en C PVC 80 Silicona 180 PTFE 260 Fibra de vidrio 350 Existen muchas diferentes construcciones y por lo general son diseñadas a pedido del cliente. CONEXION A PROCESO JUNTA DE CONEXION CABLE COMPENSADO TUBO DE PROTECCION Fig. 4: Construcción de una termocupla con cable compensado. Una de las versiones más frecuentes es la construcción de tipo bayoneta la cuál posee un resorte por el cuál no solo se desliza la bayoneta variando así la longitud de inserción sino que actúa como protección del cable compensado. CABLE COMPENSADO ACOPLE BAYONETA RESORTE DE COMPRESION TUBO DE PROTECCION JUNTA DE MEDICION Fig. 5: Termocuplas de acople rápido con sujeción por bayoneta, en sus dos versiones, recta y acodada. Termocuplas compactadas Las termocuplas compactadas se construyen a partir de un tubo de acero inoxidable u otra aleación de aproximadamente un metro de largo y algunos centímetros de diámetro interno en el cuál se posicionan los alambres termopares y se aíslan con óxido de magnesio, trefilado el conjunto y reduciendo así el diámetro hasta alcanzar de esta forma las medidas estándar comprendidas entre 0.5 y 15 mm de diámetro exterior. PROTECCION FLEXIBLE ALAMBRE DE TERMOCUPLA OXIDO DE MAGNESIO JUNTA DE MEDICION Fig. 6: Construcción esquemática de una termocupla compactada. La junta de medición de las termocuplas con blindaje metálico pueden tener tres configuraciones distintas: Soldada al extremo de la protección metálica. Aislada del extremo de la protección metálica. Expuesta fuera del extremo de la protección metálica.

5 Hoja de Información /12 La termocupla compactada es mecánicamente más robusta que la termocupla convencional con alambre aislado, y se la puede doblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos, aproximadamente tres veces el diámetro de la protección y tienen una gran respuesta al impacto y a la vibración. Muchas veces no precisan de cables de extensión o compensados ya que se pueden continuar hasta las borneras de conexión o los mismos equipos de medición, aprovechando su flexibilidad como cables de extensión y tiene la ventaja de poder atravesar zonas de alta temperatura y alta presión. Tabla de valores en mv de termocupla tipo T (Cu-Cuni) según Norma IEC Termocupla tipo T (Cu-CuNi) Clase C 0.5 C o t Clase C 1 C o t Clase C 1 C o t

6 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo J (Fe-CuNi) según Norma IEC Termocupla tipo J (Fe-CuNi) Clase C 1.5 C o t Clase C 2.5 C o t Clase C 2.5 C o t

7 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo K (NiCr-Ni) según Norma IEC Termocupla tipo K (NiCr-Ni) Clase C 1.5 C o t Clase C 2.5 C o t Clase C 2.5 C o t NOTA: Sensotec S.A. se reserva el derecho de modificar las características técnicas de este catálogo sin previo aviso.

8 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo E (NiCr-CuNi) según Norma IEC Termocupla tipo E (NiCr-CuNi) Clase C 0.5 C o t Clase C 1 C o t Clase C 1 C o t

9 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo N (NiCrSi-NiSi) según Norma IEC Termocupla tipo N (NiCrSi-NiSi) Clase C 1.5 C o t Clase C 2.5 C o t Clase C 2.5 C o t

10 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo S (PtRh10%-Pt) según Norma IEC Senal en mv Termocupla tipo S (PtRh-Pt) Clase C 1 C o [1+(t-1100).0.003] C Clase C 1.5 C o t Clase 3 - -

11 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo R (PtRh13%-Pt) según Norma IEC Termocupla tipo R (PtRh10%-Pt) Clase C 1 C o [1+(t-1100).0.003] C Clase C 1.5 C o t Clase 3 - -

12 Hoja de Información /12 Tabla de valores en mv de termocupla tipo B (PtRh30%-PtRh6%) según Norma IEC Termocupla tipo B (PtRh30%-PtRh6%) Clase Clase C 1.5 C o t Clase C 4 C o t