Los termopares son una forma popular y económica de medir la temperatura. El termopar es un dispositivo simple: dos cables de diferentes metales soldados en un extremo. Pero este dispositivo “simple” plantea muchos desafíos para un sistema de medición, incluida la necesidad de amplificación, filtrado y compensación de unión fría (CJC).
Cuando se conectan en pares, son sensores simples y eficientes que emiten un voltaje de CC extremadamente pequeño proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones en un circuito termoeléctrico cerrado (consulte la Figura 1).
Una unión normalmente se mantiene a una temperatura de referencia constante, mientras que la unión opuesta se sumerge en el entorno a medir. El principio de funcionamiento depende del valor único de la fuerza termoelectromotriz (FEM) medida entre los extremos abiertos de los cables y la unión de dos metales diferentes mantenidos a una temperatura específica.
Las uniones de termopar por sí solas no generan voltajes. El voltaje o diferencia de potencial que se desarrolla en el extremo de salida (abierto) es una función tanto de la temperatura de la unión T1 como de la temperatura del extremo abierto T1′. T1‘ debe mantenerse a una temperatura constante, como 0 °C, para garantizar que el voltaje de extremo abierto cambie en proporción a los cambios de temperatura en T1.
En principio, un termopar se puede fabricar con dos metales diferentes, como el níquel y el hierro. En la práctica, sin embargo, solo unos pocos tipos de termopares se han vuelto estándar porque sus coeficientes de temperatura son altamente repetibles, son resistentes y generan voltajes relativamente pequeños.
Los tipos de termopares más comunes se denominan J, K, T y E, seguidos de N28, N14, S, R y B (Figura 1.5). En teoría, la temperatura de unión se puede deducir del voltaje de Seebeck consultando las tablas estándar.
Sin embargo, en la práctica, este voltaje no se puede usar directamente porque la conexión del cable del termopar al terminal de cobre en el dispositivo de medición en sí mismo constituye una unión de termopar (a menos que el cable del termopar también sea de cobre) y produce otro EMF térmico que requiere compensación.
La diferencia de voltaje que se desarrolla en el extremo abierto del termopar es bastante pequeña en el rango de uV. Este voltaje no se puede medir con precisión utilizando un dispositivo DAQ multifunción típico con, por ejemplo, un rango de 0-10 V.
Esta pequeña señal requiere ganancias en el rango de x100, que normalmente no se proporciona en los dispositivos DAQ multifunción tradicionales. Y, debido a que los termopares generan un voltaje relativamente pequeño, el ruido siempre es un problema. Las fuentes más comunes de ruido son las líneas de alimentación de CA (50 Hz o 60 Hz).
Debido a que el ancho de banda de la mayoría de los sistemas de temperatura es inferior a 50 Hz, un filtro simple en cada canal puede reducir el ruido de la línea de CA que interfiere. Los filtros comunes incluyen filtros pasivos, que usan solo resistencias y capacitores, y filtros activos que usan estos componentes junto con amplificadores operacionales.
Si bien un filtro RC pasivo es económico y funciona bien para circuitos analógicos, no se recomienda para un front-end multiplexado porque la carga del multiplexor puede cambiar las características del filtro. Un filtro activo compuesto por un amplificador operacional y algunos componentes pasivos funciona bien en sistemas multiplexados, pero es más costoso y complejo.
Compensación de unión fría
Los baños de hielo y las uniones de referencia múltiple en dispositivos de prueba grandes pueden ser difíciles de configurar y mantener, pero afortunadamente todos pueden eliminarse. La corrección EMF necesaria en las terminales se puede referenciar y compensar según los estándares NIST a través de un software de computadora. Cuando se eliminan los baños de hielo, aún es necesaria la compensación de la unión fría para obtener mediciones precisas del termopar.
El software tiene que leer la temperatura del bloque isotérmico. Una técnica ampliamente utilizada es un termistor montado cerca del bloque de terminales isotérmicos y conectado a los cables del termopar externo.
No se permiten gradientes de temperatura en la región que contiene el termistor y los terminales. El tipo de termopar utilizado está preprogramado para su canal respectivo, y los datos de entrada dinámicos para el software incluyen la temperatura del bloque isotérmico y la temperatura ambiental medida.
El software utiliza la temperatura del bloque isotérmico y el tipo de termopar para calcular la temperatura del sensor mediante una ecuación polinomial.
El método permite que muchos canales de termopares de varios tipos se conecten simultáneamente mientras la computadora maneja automáticamente todas las conversiones.
Detección de termopar abierto
La detección fácil y rápida de termopares abiertos es especialmente crítica en sistemas con muchos canales. Los termopares tienden a romperse o aumentar la resistencia cuando se exponen a vibraciones, manejo inadecuado y tiempo de servicio prolongado.
Un circuito simple de detección de termopar abierto consta de un pequeño capacitor colocado a través de los cables del termopar y accionado con una corriente de bajo nivel. La baja impedancia del termopar intacto presenta un cortocircuito virtual al condensador, por lo que no puede cargarse.
Cuando un termopar se abre o cambia significativamente la resistencia, el capacitor se carga y conduce la entrada a uno de los rieles de voltaje, lo que indica un termopar defectuoso (consulte la Figura 2).
Dispositivos de medición de termopar
Los dispositivos DAQ que no están diseñados específicamente para mediciones de termopares carecen del acondicionamiento de señal y CJC necesarios para medir termopares con precisión. Los dispositivos como el USB-TC cuentan con un rango de ±0,080 V, A/D de 24 bits por canal y un proceso de calibración rastreable por NIST. Estos dispositivos proporcionan la medición de temperatura más precisa posible, ya que la precisión de la electrónica de medición interna supera las especificaciones de precisión de los sensores de termopar.
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