Este es un trabajo realizado para la Materia Tecnología de Control.

1. TERMOPARES
Alejandra Delgado
TECNOLOGÍA DE CONTROL

2. INTRODUCCIÓN
 Ampliamente usados como sensores de temperatura.
 Son económicos.
 Intercambiables.
 Tienen conectores estándar
 Capaces de medir un amplio rango de
temperaturas.

Limitación en la exactitud (errores del sistema
inferiores a un grado centígrado, son difíciles de
obtener).

3. INTRODUCCIÓN
 El grupo de termopares conectados en serie recibe el
nombre de termopila. Tanto los termopares como las
termopilas son muy usadas en aplicaciones de
calefacción a gas.

4. FUNCIONAMIENTO
 Efecto Seebeck:
Un termopar es un dispositivo para la medición de
temperatura, basados en efectos termoeléctricos. Es un
circuito formado por dos conductores de metales diferentes,
unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una
diferencia de temperatura, que origina una fuerza
electromotriz, conocida como efecto Seebeck.
Termopar del tipo K

5. Efecto Seebeck

6. Efecto Seebeck

7. Efecto Peltier
 Descubierto por Jean C. Peltier en 1834, consiste
en el calentamiento o enfriamiento de una unión
entre dos metales distintos al pasar corriente por
ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte
también el sentido del flujo de calor. Este efecto es
reversible e independiente del contacto. Depende
solo de la unión y la temperatura de la unión.

8. Efecto Peltier

9. EFECTO THOMSON
 Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, consiste en
la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo
con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor
liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al
hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor si la corriente y el
calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la
misma dirección. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y
Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un
solo material y no necesita la existencia de una soldadura.

10. FUNCIONAMIENTO
Uniones de termopares con soldadura de estaño gracias a la ley de
los metales intermedios.
Ley de los metales intermedios: Si en un circuito de varios
conductores la temperatura es uniforme desde un punto de
soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas
electromotrices es totalmente independiente de los conductores
metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto
directo 'A' y 'B'.
No es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este
voltaje:

La conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión
no deseada.

Compensación de unión fría (CUF).

11. FUNCIONAMIENTO
 La temperatura de la unión fría:
 Generalmente detectada por un termistor de
precisión; comparación; temperatura verdadera en el
extremo del termopar.

Ocasionalmente en la CUF se usa un sensor de
temperatura semiconductor.
 Cualquier error en la medición de la temperatura de la
unión fría terminará en el error de la temperatura medida
en el extremo del termopar.

12. LINEALIZACIÓN
 Energía generada por un termopar es una función no
lineal de la temperatura.
 Aproximado por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden
dependiendo del tipo de termopar).
 Los métodos analógicos son usados en medidores de
bajo costo.

13. TIPOS DE TERMOPARES

14. TIPOS DE TERMOPARES

15. TIPO K
 Bajo costo y en una variedad de sondas.
 Calibración sin recubrimiento hasta 1100ºC.
 Con recubrimiento hasta 1260ºC.
 Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
 Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%
 F.E.M. producida: -6,458 mV/ºC a 48,838 mV/ºC
 Pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecánico.
 Existen cambios químicos asociados que se presentan
durante su empleo (descalibración).

16. TIPO K
 Descomposición Verde: oxidación preferentemente del
cromo sobre el Níquel en el exterior del elemento
positivo, el cual se convierte entonces en negativo. Esto
reduce la sensibilidad.
 El ataque del azufre sobre el elemento negativo lo
convierte en quebradizo.
 Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como la
descomposición verde se pueden reducir con el empleo
de tubos limpios protectores libre de grasa.
 En los termopares compactados, debido al cemento de
oxido mineral, los alambres funcionan en una atmósfera
neutra incluso aunque la vaina del par compactado se
exponga al hidrógeno o a otro tipo de atmósfera
reductora.

17. TIPO K
 Se recomienda en atmósferas oxidantes y a
temperaturas de trabajo entre 500 y 150ºC.
 No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni
sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de
protección (evitarse hidrógeno, monóxido de carbono u
otros gases fuertemente reductores).

18. TIPO E
 Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito
criogénico gracias a su sensibilidad.
 Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
 Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
 F.E.M. producida: -9,835 mV/ºC a 76,373 mV/ºC (la
mayor).
 Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o
medianamente oxidante o reductora.

19. TIPO J
 Es el mas popular y ampliamente empleado de todas las
combinaciones de metal base debido a su bajo coste.
 Termoelemento positivo: Fe99,5%
 Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
 Rango limitado. Son ideales para usar en viejos equipos
que no aceptan el uso de termopares más modernos.
 F.E.M. producida: -8,096 mV/ºC a 42,919 mV/ºC.
 Adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. la
oxidación de el hilo de hierro aumenta rápidamente por
encima de 550ºC, siendo necesario un mayor diámetro
del hilo hasta una temperatura limite de 750ºC.

20. TIPO T
 Termoelemento positivo: Cu 100%
 Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%
 F.E.M. producida: -6,258 mV/ºC a 20,872 mV/ºC.
 Temperatura máxima limitada por la oxidación del cobre
por encima de 371ºC.
 Se debe evitar atmósferas en donde estén presentes
amoníaco, peróxido de hidrógeno, azufre fundido,
sulfuro de hidrógeno y anhídrido sulfuroso con un RH de
65% o mayor.
 El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la
corrosión por humedad atmosférica o condenación y
puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductora.

21. TIPO N
 Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%
 Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%
 F.E.M. producida: -4,345 mV/ºC a 47,513 mV/ºC.
 Adecuado para mediciones de alta temperatura gracias
a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de
altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en
los tipos B, R y S que son más caros.

22. TIPO S
 Los pares de calibración S se utilizan para medidas de
temperatura industrial y como patrones primarios.
 Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
 Termoelemento negativo: Pt100%
 F.E.M. producida: -0,236 mV/ºC a 18,693 mV/ºC.
 Ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los
1.300 ºC, pero su baja sensibilidad y su elevado precio
lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso
general.
 Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado
para la calibración universal del punto de fusión del oro
(1064,43 °C).
 Excelente resistencia a la oxidación.

23. TIPO S
 Nunca deben insertarse directamente en tubos de
protección metálicos, pero sí en tubos con protección de
cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto
contenido de pureza.
 Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos
de protección de platino.
 Inestabilidad en la respuesta del sensor temperaturas
inferiores a 0ºC.
 Por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de
granulaciones que los dejan quebradizos.
 Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno
atacarán al termopar.

24. TIPO R
 Gran aceptación en las aplicaciones industriales de alta
temperatura debido a su elevado poder termoeléctrico
en estas condiciones.
 Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%.
 Termoelemento negativo: Pt100%.
 F.E.M. producida: -0,226 mV/ºC a 21,101 mV/ºC.
 Adecuados para la medición de temperaturas de hasta
1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado
precio quitan su atractivo.
 Excelente resistencia a la oxidación.
 Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno
atacarán al termopar.

25. TIPO B
 Utilizado en la industria para temperaturas mas elevadas
que ambos ya que con la aleación de Pt-Rh se logra que
su temperatura de fusión se eleve y por lo tanto puede
emplearse hasta temperaturas mayores.
 Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%.
Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%.
 Adecuados para la medición de altas temperaturas
superiores a 1.800 ºC.
 F.E.M. producida: 0,000 mV/ºC a 13,820 mV/ºC.
 Presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC.
 Excelente resistencia a la oxidación.
 Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno
atacarán al termopar.

26. TIPO S,R y B
 Otro contaminador que afecta a la calibración atacando
al par es el sílice.
 El sílice se encuentra en todos los tubos de carburo de
silicio, tubos que son los mas comúnmente usados con
esta clase de pares por su economía.
 Para evitar el ataque de atmósferas reductoras y
contaminación del Sílice en el extremo mas alto de la
gama de temperaturas, deben utilizarse tubos
protectores de Alúminia recristalizada y vitrificada entre
el 97 y 99% de Alumina Pura.
 Se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza con
suficiente "espacio para respiración.

27. TIPOS DE TERMOPARES
 Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmosferas
oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500ºc. Si
la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse
con un tubo cerámico estanco.
 El material del tubo de protección debe ser el adecuado
para el proceso donde se aplique y suele ser de hierro o
acero sin soldaduras, acero inoxidable, iconel, carburo
de silicio, etc...

28. CALIBRACIÓN

29. PROBLEMAS DE CONEXIÓN
 Son la causa de la mayoría de los errores de medición.
 Se debe usar el tipo correcto del cable de extensión.
 Cualquiera que sea el conector empleado debe estar
hecho del material termopar correcto y su polaridad
debe ser la adecuada.
 Se utilizan normas como la I.S.A. y ANSI-MC 96.1-.1982
para clasificar el alambre del termopar.

30. RESISTENCIA
 Cables delgados:
 Para minimizar la desviación térmica y mejorar los
tiempos de respuesta.
 Alta resistencia.

Sensible al ruido.
 Errores debido a la resistencia del instrumento de
medición.
 Se recomienda medir la resisténcia del termopar
antes de utilizarlo.

31. DESCALIBRACIÓN
 Difusión de partículas atmosféricas en el metal a los
extremos de la temperatura de operación.
 Impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en
el cable del termopar.

32. RUIDO
 La salida de un termopar es una pequeña señal.
 Se puede minimizar el ruido al retorcer los cables para
asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido.
 En ambiente extremadamente ruidoso es necesario
considerar usar un cable de extensión protegido.

33. OBSERVACIÓNES
 Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el
instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de
compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la
instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor
(aparece el efecto Thompson).
 Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones
térmicas de corriente continua que dan lugar a un
desplazamiento en la calibración de el instrumento .
 El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que
durante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 mV y
se encuentra en un entorno donde las grandes maquinas eléctricas
pueden crear cientos de milivoltios en el cable de conexión.
 El termopar trabajando como una antena puede recoger radiación
electromagnética de radio televisión y microondas . de aquí que se
requiera que los cables de conexión estén torcidos y dentro de una
funda metálica que se pone a tierra , que la unión de medida este
puesta a tierra y que el amplificador tenga una buena relación
señal/ruido.

34. USO DE VAINAS
 En lo referente a la vainas de protección depende de el
proceso industrial es el tipo de vaina que se va a usar
por ejemplo en el proceso de fabricación de el cemento
en la salida de los altos hornos se usa una vaina de
iconel o hierro o también pirometros de radiación.
 Proceso de fabricación de la cerámica en los hornos se
utilizan protecciones cerámicos o pirometros de
radiación.
 Proceso de exaltación y vítreo se usan vainas de iconel
o hierro.
 Fabricación de alimentos y procesos petroquímicos el
acero inoxidable como vaina.
 En procesos de fabricación que excedan los 1000ºc a
veces se usa carburo de silicio.

35. AISLAMIENTO
 Mostacillas
 Configuración más simple.

Termoelementos acomodados en aisladores de
cerámica que usualmente son denominados
mostacillas.

Producidas con oxido de magnesio (Mg2O) 66,7%
con alta conductividad térmica y alta resistencia de
aislamiento.

36. AISLAMIENTO
 Termopar con aislamiento mineral
 Desarrollado para aplicaciones en el sector nuclear.
 Extendido a los demás sectores del proceso
productivo.
 Necesidad de un termopar con un tiempo de
respuesta menor que el que se obtenía con el
termopar convencional.
 Termopar convencional montado con un tubo de
protección donde todo el conjunto es trefilado. En
este proceso los termoelementos quedan aislados
entre sí mediante un polvillo compacto de Mg2O y
protegidos por una vaina metálica (originalmente el
tubo de protección).

37. CÓDIGO DE COLORES

38. CÓDIGO DE COLORES

39. PROS Y CONTRAS
 PROS
 Bajo costo.
 No hay piezas móviles, menos probabilidad de
romperse.
 Amplia gama de temperaturas.
 Tiempo de reacción razonablemente corto.
 Capacidad de repetición y exactitud razonables.
 CONTRA

La sensibilidad es baja, generalmente 50 µV/°C o
menos.

Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 °C.

Requiere una temperatura de referencia,
generalmente la del hielo (0°C).