Termopares

Efecto Seebeck

Un fenómeno interesante aplicado en el campo de la instrumentación es el efecto Seebeck, que es la producción de un pequeño voltaje a lo largo de un cable debido a una diferencia de temperatura a lo largo de ese cable. Este efecto se observa y se aplica más fácilmente con una unión de dos metales diferentes en contacto, cada metal produce un voltaje Seebeck diferente a lo largo de su longitud, lo que se traduce en un voltaje entre los dos extremos del cable (no unidos). La mayoría de los pares de metales diferentes producirán un voltaje medible cuando su unión se calienta, algunas combinaciones de metales producen más voltaje por grado de temperatura que otras:

El efecto Seebeck es bastante lineal; es decir, el voltaje producido por una unión calentada de dos cables es directamente proporcional a la temperatura. Esto significa que la temperatura de la unión del cable metálico se puede determinar midiendo el voltaje producido. Por lo tanto, el efecto Seebeck nos proporciona un método eléctrico de medición de temperatura.

Termopares

Cuando un par de metales diferentes se unen con el propósito de medir la temperatura, el dispositivo formado se llama termopar . Los termopares fabricados para instrumentación utilizan metales de alta pureza para una relación precisa de temperatura / voltaje (lo más lineal y predecible posible).

Los voltajes de Seebeck son bastante pequeños, de decenas de milivoltios para la mayoría de los rangos de temperatura. Esto los hace algo difíciles de medir con precisión. Además, el hecho de que cualquier La unión entre metales diferentes producirá un voltaje dependiente de la temperatura que crea un problema cuando intentamos conectar el termopar a un voltímetro, completando un circuito:

Unión de medición

La segunda unión de hierro / cobre formada por la conexión entre el termopar y el medidor en el cable superior producirá un voltaje dependiente de la temperatura opuesto en polaridad al voltaje producido en la unión de medición. Esto significa que el voltaje entre los cables de cobre del voltímetro será una función de la diferencia en temperatura entre las dos uniones, y no la temperatura en la unión de medición solamente. Incluso para los tipos de termopares en los que el cobre no es uno de los metales diferentes, la combinación de los dos metales que unen los cables de cobre del instrumento de medición forma una unión equivalente a la unión de medición:

Cruce de referencia

Este segundo cruce se llama referencia o frío empalme, para distinguirlo del empalme en el extremo de medición, y no hay forma de evitar tener uno en un circuito de termopar. En algunas aplicaciones, se requiere una medición de temperatura diferencial entre dos puntos, y esta propiedad inherente de los termopares se puede aprovechar para hacer un sistema de medición muy simple.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, la intención es medir la temperatura en un solo punto y, en estos casos, la segunda unión se convierte en un obstáculo para su funcionamiento.

La compensación del voltaje generado por la unión de referencia generalmente se realiza mediante un circuito especial diseñado para medir la temperatura allí y producir un voltaje correspondiente para contrarrestar los efectos de la unión de referencia. En este punto, puede preguntarse:“Si tenemos que recurrir a alguna otra forma de medición de temperatura solo para superar una idiosincrasia con los termopares, ¿por qué molestarnos en usar termopares para medir la temperatura? ¿Por qué no usar esta otra forma de medición de temperatura, cualquiera que sea, para hacer el trabajo? " La respuesta es la siguiente:porque las otras formas de medición de temperatura utilizadas para la compensación de la unión de referencia no son tan robustas o versátiles como una unión de termopar, pero hacen bastante bien el trabajo de medir la temperatura ambiente en el sitio de la unión de referencia. Por ejemplo, la unión de medición del termopar se puede insertar en el conducto de humos de 1800 grados (F) de un horno de mantenimiento de fundición, mientras que la unión de referencia se encuentra a cien pies de distancia en un gabinete de metal a temperatura ambiente, y su temperatura se mide con un dispositivo que podría nunca sobreviva al calor o la atmósfera corrosiva del horno.

El voltaje producido por las uniones de termopar depende estrictamente de la temperatura. Cualquier corriente en un circuito de termopar es una función de la resistencia del circuito en oposición a este voltaje (I =E / R). En otras palabras, la relación entre temperatura y voltaje Seebeck es fija, mientras que la relación entre temperatura y corriente es variable, dependiendo de la resistencia total del circuito. Con conductores de termopar suficientemente pesados, se pueden generar corrientes superiores a cientos de amperios a partir de un solo par de uniones de termopar. (De hecho, he visto esto en un experimento de laboratorio, usando barras pesadas de cobre y aleación de cobre / níquel para formar las uniones y los conductores del circuito).

Para fines de medición, el voltímetro utilizado en un circuito de termopar está diseñado para tener una resistencia muy alta para evitar cualquier caída de voltaje que induzca errores a lo largo del cable del termopar. El problema de la caída de voltaje a lo largo de la longitud del conductor es aún más severo aquí que con las señales de voltaje de CC discutidas anteriormente porque aquí solo tenemos unos pocos milivoltios del voltaje producido por la unión. Simplemente no podemos permitirnos tener ni siquiera un milivoltio de caída a lo largo de las longitudes del conductor sin incurrir en errores graves de medición de temperatura.

Entonces, idealmente, la corriente en un circuito de termopar es cero. Los primeros instrumentos indicadores de termopares utilizaban un circuito de medición de voltaje potenciométrico de equilibrio nulo para medir el voltaje de unión. La primera línea de indicadores / registradores de temperatura “Speedomax” de Leeds &Northrup fue un buen ejemplo de esta tecnología. Los instrumentos más modernos utilizan circuitos amplificadores de semiconductores para permitir que la señal de voltaje del termopar impulse un dispositivo de indicación con poca o ninguna corriente en el circuito.

Termopila

Los termopares, sin embargo, pueden construirse con alambre de gran calibre para baja resistencia y conectarse de tal manera que generen corrientes muy altas para fines distintos a la medición de temperatura. Uno de esos propósitos es la generación de energía eléctrica. Al conectar muchos termopares en serie, alternando temperaturas frías / calientes con cada unión, un dispositivo llamado termopila se puede construir para producir cantidades sustanciales de voltaje y corriente:

Efecto Peltier

Con los conjuntos de uniones izquierda y derecha a la misma temperatura, el voltaje en cada unión será igual y las polaridades opuestas se cancelarán hasta un voltaje final de cero. Sin embargo, si el conjunto de uniones de la izquierda se calienta y el conjunto de la derecha se enfría, el voltaje en cada unión de la izquierda sería mayor que en cada unión de la derecha, lo que da como resultado un voltaje de salida total igual a la suma de todos los diferenciales de los pares de uniones. En una termopila, así es exactamente como se configuran las cosas. Se aplica una fuente de calor (combustión, una sustancia radiactiva fuerte, calor solar, etc.) a un conjunto de uniones, mientras que el otro conjunto se une a un disipador de calor de algún tipo (refrigerado por aire o agua). Curiosamente, a medida que la corriente fluye a través de un circuito de carga externo conectado a la termopila, la energía térmica se transfiere de las uniones calientes a las uniones frías, lo que demuestra otro fenómeno termoeléctrico:el llamado efecto Peltier (corriente eléctrica que transfiere energía térmica).

Otra aplicación de los termopares es la medición de promedio temperatura entre varios lugares. La forma más sencilla de hacer esto es conectar varios termopares en paralelo entre sí. La señal de milivoltios producida por cada termopar se promediará en el punto de unión en paralelo. Las diferencias de voltaje entre las uniones caen junto con la resistencia de los cables del termopar:

Sin embargo, desafortunadamente, el promedio preciso de estos potenciales de voltaje de Seebeck se basa en que las resistencias de los cables de cada termopar sean iguales. Si los termopares están ubicados en diferentes lugares y sus cables se unen en paralelo en una sola ubicación, será poco probable que tenga la misma longitud de cable. El termopar que tenga la mayor longitud de cable desde el punto de medición hasta el punto de conexión en paralelo tenderá a tener la mayor resistencia y, por lo tanto, tendrá el menor efecto sobre el voltaje promedio producido.

Múltiples uniones de termopar

Para ayudar a compensar esto, se puede agregar resistencia adicional a cada una de las ramas del circuito de termopar en paralelo para hacer que sus respectivas resistencias sean más iguales. Sin resistencias de tamaño personalizado para cada rama (para hacer resistencias exactamente iguales entre todos los termopares), es aceptable simplemente instalar resistencias con valores iguales, significativamente más altos que las resistencias de los cables del termopar para que esas resistencias de los cables tengan un impacto mucho menor. sobre la resistencia total de la rama. Estas resistencias se denominan inundación resistencias porque sus valores relativamente altos eclipsan o "inundan" la resistencia de los propios cables del termopar:

Debido a que las uniones de termopar producen voltajes tan bajos, es imperativo que las conexiones de cables estén muy limpias y apretadas para un funcionamiento preciso y confiable. Además, la ubicación de la unión de referencia (el lugar donde los cables del termopar de metales diferentes se unen al cobre estándar) debe mantenerse cerca del instrumento de medición, para garantizar que el instrumento pueda compensar con precisión la temperatura de la unión de referencia. A pesar de estos requisitos aparentemente restrictivos, los termopares siguen siendo uno de los métodos más robustos y populares de medición de temperatura industrial en el uso moderno.

REVISAR:

• El efecto Seebeck es la producción de un voltaje entre dos metales unidos diferentes que es proporcional a la temperatura de esa unión.
• En cualquier circuito de termopar, hay dos uniones equivalentes formadas entre metales diferentes. La unión ubicada en el lugar de la medición prevista se denomina medición unión, mientras que la otra unión (única o equivalente) se denomina referencia cruce.
• Se pueden conectar dos uniones de termopar en oposición entre sí para generar una señal de voltaje proporcional a la temperatura diferencial entre las dos uniones. Una colección de uniones así conectadas con el propósito de generar electricidad se llama termopila .
• Cuando la corriente fluye a través de las uniones de una termopila, la energía térmica se transfiere de un conjunto de uniones al otro. Esto se conoce como efecto Peltier . .
• Se pueden conectar múltiples uniones de termopar en paralelo entre sí para generar una señal de voltaje que represente la temperatura promedio entre las uniones. Las resistencias de "pantano" se pueden conectar en serie con cada termopar para ayudar a mantener la igualdad entre las uniones, por lo que el voltaje resultante será más representativo de una temperatura promedio real.
• Es imperativo que la corriente en un circuito de termopar se mantenga lo más baja posible para una buena precisión de medición. Además, todas las conexiones de cables relacionadas deben estar limpias y apretadas. Meras milivoltios de caída en cualquier lugar del circuito causarán errores de medición sustanciales.