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Este artículo fue publicado originalmente el 4 de diciembre de 2023 por Rick Zerafin y actualizado el 26 de septiembre de 2024.
Si su trabajo implica aplicaciones críticas con condiciones duras, climatología extrema y entornos de alta vibración, los termopares son instrumentos esenciales que pueden mantener su sistema funcionando con eficacia. A menudo se utilizan en equipos como sistemas de turbinas, compresores de gas, bombas y otros equipos para proporcionar señales claras y fiables que comuniquen si un sistema funciona correctamente o no. Al hacerlo, estos instrumentos ayudan a reducir el tiempo de inactividad, disminuir los costes de mantenimiento y aumentar la productividad.
Seleccionar el tipo de unión correcto es fundamental para garantizar un rendimiento óptimo del sensor de temperatura. Con 40 años de experiencia en instrumentos de medición, a menudo me preguntan por las diferencias y ventajas de cada opción de unión.
En este artículo, conocerá los diferentes componentes de los termopares, incluidos dos de los tipos más comunes de uniones: con y sin conexión a tierra. También aprenderá las ventajas de cada tipo de unión y cuál es preferible para las distintas aplicaciones. Cuando termine de leer, sabrá cuál es la mejor unión para sus necesidades específicas.
Componentes básicos de un termopar.
Los termopares industriales como el Ashcroft® S50 y S80 tienen dos conductores de aleación que están hechos de diferentes aleaciones y soldados para formar una unión. El extremo caliente, también conocido como la fuente de calor, siempre está sumergido en el área de medición de temperatura. El extremo frío, también conocido como unión fría, está siempre en el lugar del ambiente donde terminan los cables del sensor y sirve como punto de referencia para medir el gradiente de temperatura entre los extremos caliente y frío.
Figura 1: Extremo caliente y extremo frío del termopar.
Cómo funcionan los termopares.
Tmiden el gradiente de temperatura entre la unión fría y la unión caliente. En función de la diferencia de temperatura entre ambas uniones, el circuito del termopar genera una señal de milivoltios. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la salida de señal en milivoltios del sensor.
La compensación de la unión fría complementa la señal de milivoltios para generar la medición real de la temperatura del extremo caliente. Estas señales de milivoltios son pequeñas. Por ejemplo, un termopar de tipo K con un gradiente de temperatura de 100 grados genera sólo 4,096 milivoltios.
La pequeña señal de milivoltios significa que se debe tener cuidado al seleccionar el tipo de unión de termopar correcto para mantener la integridad y fiabilidad de la señal.
Uniones termopar puestas a tierra.
Para formar una unión de termopar puesta a tierra, el cordón de soldadura de aleación del conductor se coloca en contacto directo con la vaina metálica protectora exterior del sensor.
Figura 2: Unión termopar puesta a tierra.
Este contacto directo crea una conexión sin fisuras entre el elemento sensor y la vaina protectora, garantizando que el calor del proceso se transfiera eficazmente al sensor.
Esta opción tiene varias ventajas:
Mayor precisión en la medición de la temperatura.
El contacto directo con la vaina exterior implica una resistencia térmica mínima y una medición más precisa. Esto hace que los sensores con toma de tierra sean la configuración preferida para aplicaciones de temperatura superficial. Por ejemplo:
- Calefactores que dependen de mediciones precisas de las superficies de los tubos de proceso
- Equipos de hornos que lo utilizan para apoyar los cálculos del calendario de descooking
Mayor rapidez de respuesta en el tiempo de medición de la temperatura.
Las conexiones a tierra son ideales para aplicaciones de seguridad que requieren una rápida detección de la temperatura. Por ejemplo, los lazos de controlos lazos de control sensibles a la temperatura con elementos finales como válvulas, bombas y calentadores dependen de respuestas rápidas de toda la instrumentación, incluidos los sensores de temperatura.
El contacto directo entre la unión de aleación y la vaina exterior acorta la trayectoria de transferencia de calor, lo que se traduce en un tiempo de respuesta más rápido en comparación con una unión sin conexión a tierra.
Figura 3. Unión termopar puesta a tierra con transferencia de calor.
Retos de unión de termopares con conexión a tierra.
Las uniones a tierra se utilizan mucho en diversas aplicaciones, pero conllevan problemas de ruido y dilatación que afectan a la pequeña señal de milivoltios.
Interferencias acústicas.
Los bucles de tierra y las corrientes parásitas procedentes de fuentes como la soldadura pueden provocar ruido en la señal del termopar.
Figura 4. Unión puesta a tierra con transferencia de calor. Figura 5. Interferencia de ruido.
Coeficientes de dilatación y crecimiento del grano.
La tensión derivada de la expansión de la vaina exterior puede provocar el crecimiento de grano en los conductores, lo que da lugar a señales intermedias y, finalmente, al fallo del termopar.
Figura 6: Separación de conductores. Figura 7: Señal intermitente.
Uniones de termopares sin conexión a tierra.
Las uniones de termopares sin conexión a tierra se crean aislando la unión del cordón de soldadura de la vaina exterior siguiendo las normas ASTM e IEC.
Figura 8: Unión de termopares sin conexión a tierra.
Este tipo de unión de termopares también ofrece ventajas para determinadas aplicaciones:
Integridad de la señal.
La elección de un termopar sin conexión a tierra con aislamiento mineral como el MgO (óxido de magnesio) evita los bucles de masa y aísla el sensor del ruido. Aunque los aisladores de señal de bucle y los transmisores ayudan, un termopar sin conexión a tierra con aislamiento mineral es el mejor método para aislar el circuito del sensor.
Inspección de la calidad de la resistencia del aislamiento.
Los termopares enterrados también permiten inspeccionar la resistencia del aislamiento entre la cubierta exterior y el circuito del termopar. Esto es importante porque una fuente común de fallo de los termopares es la entrada de humedad en el cable con aislamiento mineral. La inspección de la resistencia del aislamiento no es posible con un termopar conectado a tierra.
Protección química del conductor de aleación.
Aislar completamente los conductores de aleación de la vaina exterior ofrece protección química a todo el circuito del sensor. Esto es especialmente beneficioso a altas temperaturas, donde la entrada de alta energía puede empujar las impurezas hacia los conductores de aleación.
Mejoras en el tiempo de respuesta.
Para mejorar el tiempo de respuesta de un termopar sin conexión a tierra, se puede reducir el diámetro exterior de la vaina. En aplicaciones de turbinas, la punta del sensor puede hacerse más pequeña para reducir su masa y aumentar su resistencia.
Ambos tipos de empalmes vienen con sensores de vaina metálica y aislamiento mineral alrededor de los conductores. Los aislantes más comunes están hechos de óxido de magnesio (MgO), siendo el óxido de aluminio (Al2O3) otra opción popular. Dependiendo de lo que necesite, tanto los empalmes conectados a tierra como los no conectados tienen sus propias ventajas.
Figura 11: Gesto de advantmopar conectado a tierra frente a no conectado a tierra.
¿Qué unión de termopar va a elegir?
Conocer las diferencias entre las uniones con y sin conexión a tierra y cómo funcionan con los termopares proporciona una buena base para responder a esta pregunta. Sin embargo, es posible que desee saber más. Nuestro equipo técnico está a su disposición para responder a cualquier pregunta adicional que le surja. No dude en ponerse en contacto con nuestros especialistas en cualquier momento.
Mientras tanto, descargue nuestra guía para obtener más información sobre cómo encontrar la instrumentación de temperatura y presión adecuada para aplicaciones exigentes.
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