Termopares

• Para seleccionar un termopar ideal, primero debemos comprender la necesidad de la aplicación de medición.
  • Factores que afectan el cambio de temperatura
  • Precisión requerida: impacto de la precisión del sensor en la precisión general de la medición.
  • Duración del despliegue
  • Selección del material del termopar
  • Selección de la unión de medición
  • Durabilidad
• Rango de temperatura que se va a medir.
  • Determine el rango máximo y mínimo en el que desea medir la temperatura y seleccione el termopar con mayor rango de temperatura máxima.
  • Verifique si la linealidad del termopar cumple con el requisito de rango.
• Consideración ambiental
  • Seleccione el material de funda correcto para resistir la reacción química.
  • Aislamiento perfecto para resistir la protección del ruido.
  • El termopar debe soportar vibraciones y abrasión.
• Conectores y cables adecuados para utilizar entre el termopar y los instrumentos de medición.
• Se debe utilizar un instrumento de medición adecuado para obtener un resultado preciso.

• Debido a que los termistores son semiconductores, son más susceptibles a la descalibración permanente a altas temperaturas que los RTD o los termopares.
• El uso de termistores generalmente está limitado a unos pocos cientos de grados Celsius y los fabricantes advierten que las exposiciones prolongadas harán que el termistor se desvíe de su tolerancia especificada.
• Los termistores pueden fabricarse en tamaños muy pequeños, lo que significa que responderán rápidamente a los cambios de temperatura. Esto también significa que su pequeña masa térmica los hace especialmente susceptibles a errores de autocalentamiento.
• Los termistores son mucho más frágiles que los RTD o los termopares y deben montarse con cuidado para evitar aplastamientos o separaciones de enlaces.

Para formar la unión caliente, se debe adoptar un método adecuado para obtener un buen contacto eléctrico entre los cables del termopar.
Para el cromo/aluminio y otras combinaciones, para su uso en mediciones de alta temperatura, la soldadura es el único método para obtener una unión adecuada. Para este propósito, se utilizan principalmente la soldadura TIG y la soldadura por haz láser.

Soldadura TIG

La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), también conocida como soldadura por gas inerte de tungsteno (TIG), es un proceso de soldadura por arco que utiliza un electrodo de tungsteno no consumible para producir la soldadura. El área de soldadura está protegida de la contaminación atmosférica mediante un gas protector.

Soldadura por rayo láser

La soldadura por haz láser (LBW) es una técnica de soldadura que se utiliza para unir varias piezas de metal mediante el uso de un láser. El haz proporciona una fuente de calor concentrada, lo que permite realizar soldaduras estrechas y profundas y alcanzar velocidades de soldadura elevadas. La LBW es un proceso versátil, capaz de soldar aceros al carbono, aceros HSLA, acero inoxidable, aluminio y titanio. La velocidad de la soldadura es proporcional a la cantidad de energía suministrada, pero también depende del tipo y el grosor de las piezas de trabajo.

• ASTM E 235: Especificación estándar para termopares revestidos, tipo K y tipo N para aplicaciones nucleares u otras aplicaciones de alta confiabilidad.
• ASTM E 839: Métodos de prueba estándar para termopares revestidos y cables de termopar revestidos.
• ASTM E 220: Métodos de prueba para calibración de termopares mediante técnicas de comparación
• ASTM E 230: Especificaciones y tablas de temperatura-EMF para termopares estandarizados.
• ASTM E 585: Especificación estándar para cables de termopar de metal base, MI y MS compactados.
• ASTM E 608: Especificación estándar para termopares de metal base, MI y MS compactados.
• ASTM E 696: Especificaciones estándar para alambre de termopar de aleación de tungsteno-renio.
• ASTM E 1652: ASTM E 1652: Especificación estándar para polvo de óxido de magnesio y óxido de aluminio y aisladores triturables utilizados en PRT con revestimiento metálico, termopares de metales nobles, termopares de metales base y sus respectivos cables.
• ES 12579: Especificación para cables de termopar y termopares con aislamiento mineral de metal base.
• GB/T 1598-2010: Norma china para termopares de platino.
• IEC 584: Norma internacional para termopares.

Se han utilizado muchas combinaciones de materiales para producir termopares aceptables, cada uno con su propio espectro de aplicación particular. Sin embargo, en la actualidad hay muy pocos tipos específicos disponibles que cubran con creces la mayoría de las aplicaciones ambientales y de temperatura.

La norma cubre los ocho termopares especificados y más utilizados. Estos tipos de termopares se pueden subdividir en tres grupos: termopares de metal base, termopares de metal noble (raro) y termopares de metal refractario.Termopares de metal base

Los termopares de metal base están compuestos de metales comunes y económicos como el níquel, el hierro y el cobre. Los termopares de los tipos E, J, K, N y T pertenecen a este grupo y son los más utilizados.

Termopares de metales nobles

Los termopares de metales nobles se fabrican con alambres fabricados con metales preciosos o “nobles” como el platino y el rodio. Los tipos principales son R, S y B.

Termopares de metal refractario

Los termopares de metal refractario se fabrican con metales exóticos como el tungsteno y el renio. Estos metales son caros, difíciles de fabricar y el alambre fabricado con ellos es muy frágil.

Los termopares de metales nobles se fabrican con alambre hecho con metales preciosos o “nobles” como el platino y el rodio. Los termopares de metales nobles se pueden utilizar en aplicaciones oxidantes o inertes y deben utilizarse con un tubo de protección de cerámica que rodee el elemento del termopar. Estos sensores suelen ser frágiles y no deben utilizarse en aplicaciones reductoras o que contengan vapores metálicos.

• Tipo R – Los termopares tipo R están fabricados con una pata positiva de platino/rodio 13% y una pata negativa de platino puro. El rango de temperatura para el tipo R es de 0 a 1450 ºC (32 – 2642 ºF).
• Tipo S – Los termopares tipo S están fabricados con una pata positiva de platino/rodio 10% y una pata negativa de platino puro. El rango de temperatura para el tipo S es de 0 a 1450 ºC (32 – 2642 ºF).
• Tipo B – Los termopares tipo B están fabricados con una pata positiva de platino/rodio 30% y una pata negativa de platino/rodio 6%. El rango de temperatura para el tipo B es de 0 a 1700 ºC (32 – 3092 ºF).

Los termopares de metal refractario se fabrican con alambre fabricado a partir de metales exóticos como el tungsteno y el renio. Estos metales son caros, difíciles de fabricar y el alambre fabricado con ellos es muy frágil. Estos termopares están destinados a utilizarse en hornos de vacío a temperaturas extremadamente altas y nunca deben utilizarse en presencia de oxígeno a temperaturas superiores a los 300 °C. Existen varias combinaciones diferentes de aleaciones que se han utilizado en el pasado, pero solo una (tipo C) se utiliza generalmente en este momento.

• Tipo C – Tipo C: el termopar tipo C está hecho con una pata positiva de tungsteno/renio 5% y una pata negativa de tungsteno 26% renio y tiene un rango de temperatura de 0 a 2320 °C (32 a 4208 °F).
• Tipo G- El termopar tipo G también se conoce técnicamente como WM26Re. El termopar tipo G tiene una combinación de aleación de tungsteno (W) como conductor positivo y tungsteno + renio 26% (W-26% Re) como conductor negativo. El rango máximo de temperatura útil de este termopar es de 0 a 2320 °C.
• Tipo D- Tipo D: el termopar tipo D también se conoce técnicamente como W3ReM25Re. El termopar tipo D tiene una combinación de aleación de tungsteno + 3% renio (W-3%Re) como conductor positivo y tungsteno + 25 % renio (W-56% Re) como conductor negativo. El rango máximo de temperatura útil de este termopar es de 0 a 2320 °C.

Los termopares son adecuados para medir en un amplio rango de temperaturas, hasta 2300 ºC. Son menos adecuados para aplicaciones en las que se deben medir diferencias de temperatura más pequeñas con alta precisión, por ejemplo, el rango de 0 a 100 ºC con una precisión de 0,1 ºC. Para tales aplicaciones, los termistores y los detectores de temperatura de resistencia son más adecuados. Las aplicaciones incluyen la medición de temperatura para hornos, escapes de turbinas de gas, motores diésel y otros procesos industriales. Algunas otras aplicaciones son las siguientes:

• Industria siderúrgica
• Industria del cemento
• Industria farmacéutica
• Industria petroquímica
• Industria nuclear
• Industria energética
• Laboratorios
• Industria de hornos

Hay dos tipos de construcción de termopares que se utilizan con mayor frecuencia: termopares MI (aislamiento mineral) y termopares no MI.

Termopares con aislamiento mineral:

Los termopares con aislamiento mineral (principalmente óxido de magnesio) se utilizan en muchas aplicaciones de laboratorio y de procesos. Son resistentes y flexibles, y sus valores de temperatura relativamente altos hacen que los termopares de MgO sean una opción popular para una multitud de aplicaciones de medición de temperatura.

Los sensores de MgO se construyen colocando un elemento o elementos en una funda de un material y tamaño adecuados, aislando los elementos de sí mismos y de la funda con polvo de óxido de magnesio suelto o aplastable o aislantes y, a continuación, remachando o estirando la funda rellena hasta su tamaño final reducido. El proceso de remachado produce un elemento con aislamiento de MgO altamente compactado y proporciona un aislamiento de alta resistencia dieléctrica entre los elementos mismos y su funda.

Los termopares con aislamiento mineral consisten en un cable de termopar incrustado en un aislante de polvo de óxido refractario densamente empaquetado, todo ello encerrado en una funda metálica estirada y sin costuras (normalmente de acero inoxidable).

En un extremo, los núcleos y la vaina se sueldan a partir de una unión “caliente”. En el otro extremo, el termopar se conecta a una “transición” de cables de extensión, un cabezal de conexión o un conector.

Termopares no MI

En los termopares que no son MI, los cables del termopar están aislados con perlas de cerámica o tubos de cerámica, después del aislamiento de cerámica, cubiertos por una funda de metal (generalmente de acero inoxidable) y se proporciona algún tipo de terminación (cable de extensión, cabezal de conexión o conector, por ejemplo). En este tipo de construcción, los cables del termopar están protegidos del entorno de medición cuando se proporciona una protección de funda. El material de la funda depende del entorno de medición; por lo general, se utiliza acero inoxidable. Según el entorno corrosivo, se cambia la selección de la funda.

Esta construcción no proporciona flexibilidad y no se encuentra en tamaños pequeños. No tiene una resistencia mecánica muy buena.

En la construcción sin MI, la vaina puede ser de cerámica o metal según sea necesario.

Se forman todo tipo de uniones expuestas, conectadas a tierra y no conectadas a tierra, tanto en la construcción MI como en la no MI.

• Dimensiones reducidas y gran flexibilidad que permiten medir la temperatura en lugares de difícil acceso.
• Buena resistencia mecánica.
• Protección de los cables de los elementos térmicos contra oxidación, corrosión y contaminación.
• Respuesta térmica rápida.

Los óxidos minerales utilizados para el aislamiento son altamente higroscópicos y los cables con extremos abiertos deben sellarse de manera eficaz (generalmente con resinas epóxicas) para evitar la absorción de humedad. Un termopar con aislamiento mineral cuidadosamente preparado normalmente tendrá un valor alto de resistencia de aislamiento (varios cientos de megaohmios).

Generalmente se ofrecen tres configuraciones de punta alternativas:

• Un expuesto La unión (de medición) se recomienda para medir la temperatura de gases no corrosivos estáticos o en flujo cuando se requiere la mayor sensibilidad y la respuesta más rápida.
  
• Un aislado La unión es más adecuada para medios corrosivos, aunque la respuesta térmica es más lenta. En algunas aplicaciones en las que más de un termopar se conecta a la instrumentación asociada, el aislamiento puede ser esencial para evitar que se produzcan señales falsas en los circuitos de medición. Si no se especifica, esta es la norma.
  
• Un puesto a tierra La unión (puesta a tierra) también es adecuada para medios corrosivos y aplicaciones de alta presión. Proporciona una respuesta más rápida que la unión aislada y protección que no ofrece la unión expuesta.
  

La punta de unión del termopar con aislamiento mineral puede ser de tres tipos, como se describió anteriormente. La punta puede ser aislada, puesta a tierra y de tipo reducido.

• Punta aislada: las uniones de extremo caliente aisladas son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones, especialmente donde es esencial una baja captación de campos electromagnéticos. La alta resistencia del aislamiento se mejora gracias a la compactación extrema del aislamiento de polvo de MgO de alta pureza.
• Punta conectada a tierra: las uniones conectadas a tierra o unidas ofrecen una respuesta de temperatura ligeramente más rápida que el tipo de unión aislada. No se recomienda para instrumentación multipunto.
• Punta reducida: estas uniones son ideales para aplicaciones en las que se requiere poca masa y tiempos de respuesta extremadamente rápidos, junto con una buena resistencia mecánica. La punta reducida se puede proporcionar en termopares de 1,0 a 6,0 mm de diámetro.
  

Tolerancias en la lectura de temperatura

La tolerancia denota el valor máximo permitido que se obtiene al restar la lectura de temperatura o la temperatura en la unión caliente de la temperatura estándar convertida a partir de la tabla EMF de temperatura aplicable.

Temperatura máxima de funcionamiento

El límite de temperatura de funcionamiento es la temperatura máxima en la que el termopar se puede utilizar de forma continua. El límite máximo es la temperatura máxima en la que el termopar se puede utilizar temporalmente durante un breve período de tiempo debido a circunstancias inevitables.

Los principales factores que afectan la vida útil de un termopar son:

• Temperatura: La vida útil del termopar disminuye aproximadamente en 50% cuando se produce un aumento de 500 °C.
• Diámetro: Al duplicar el diámetro del alambre la vida aumenta 2-3 veces.
• Ciclado térmico: Cuando los termopares se exponen a ciclos térmicos desde temperatura ambiente hasta más de 500 ºC, su vida útil disminuye en aproximadamente 50% en comparación con un termopar utilizado continuamente a la misma temperatura.
• Protección: Cuando los termopares están cubiertos por una funda protectora y colocados en aisladores cerámicos, su vida útil se prolonga considerablemente.

Tiempos de respuesta del termopar

El tiempo de respuesta de un termopar se define generalmente como el tiempo que tarda el voltaje térmico (salida) en alcanzar 63,2% como máximo para la temperatura de cambio de paso. Depende de varios parámetros, entre ellos, la dimensión del termopar, la construcción, la configuración de la punta y la naturaleza del medio en el que se encuentra el sensor.

Duración de la inmersión

Los conjuntos de termopares son dispositivos de detección de “punta”, lo que los hace aptos tanto para aplicaciones de superficie como de inmersión, según su construcción. Sin embargo, el tipo de inmersión debe utilizarse con cuidado para evitar errores debido a la conducción del vástago del proceso, que puede dar como resultado una lectura alta o baja, respectivamente. Una regla general es sumergir en el medio hasta un mínimo de 4 veces el diámetro exterior de la vaina; no se aplican datos cuantitativos, pero se debe tener cuidado para obtener resultados significativos.

Medición de temperatura de superficie

Aunque los conjuntos de termopares son principalmente dispositivos de detección de punta, el uso de tubos de protección hace que la detección de superficies sea poco práctica. Físicamente, la sonda no se presta a la presentación de superficies y la conducción por el vástago provocaría errores de lectura. Si se va a utilizar un termopar de forma fiable para la detección de superficies, debe estar expuesto, con una unión soldada con una masa térmica muy pequeña o estar alojado en una construcción que permita un verdadero contacto con la superficie cuando se adhiera a ella.

Los termopares desempeñan un papel importante en las industrias siderúrgicas. En cada sector se utilizan distintos tipos de termopares en distintas unidades de la industria siderúrgica:

TERMOPAR DE CÚPULA DE ESTUFA

La cúpula de la estufa/estufa de aire caliente es una de las secciones más críticas en la industria del acero. El aire caliente tiene tres etapas de funcionamiento: con gas, con aire caliente o en botella (lista y esperando para ser utilizada).

La temperatura es uno de los parámetros principales para controlar este proceso crítico. La temperatura dentro del alto horno es de aproximadamente 1100 °C y la presión es alta. La temperatura y la presión elevadas hacen que el conjunto sea muy crítico.

TERMOPAR DE HORNO DE COQUE

El coque es la materia prima más importante que se introduce en el alto horno en términos de su efecto sobre el funcionamiento del alto horno y la calidad del metal caliente. El proceso de fabricación del coque implica la carbonización del carbón a altas temperaturas (1100 °C) en una atmósfera deficiente en oxígeno para concentrar el carbono.

TERMOPAR REFRACTARIO DE HOGAR

Los termopares refractarios son muy importantes para la fase de arranque y de funcionamiento del refractario en las plantas siderúrgicas. Se trata normalmente de termopares de gran longitud (hasta 40 metros) en construcción con aislamiento mineral. Se pueden agrupar termopares de distintas longitudes en una única brida, para una zona concreta del horno.

TERMOPARES PARA HORNO DE SECADO

Termopar de respuesta rápida normalmente tipo K con conector miniatura o estándar para aplicación en horno DRI y normalmente utilizado con un indicador manual para comprobar la temperatura inmediata.

Los termopares se utilizan ampliamente en diferentes unidades de la planta de cemento:

• Horno
• Temperatura del clínker.
• Precalentador.
• Sistema ESP (Precipitadores Electroestáticos).
• Silo de carbón.

En la industria farmacéutica, los termopares se utilizan para la validación y el proceso. Las diversas áreas de aplicación son:

PARA VALIDACIÓN

• Autoclave
• Procesador de tapones
• Esterilizador de calor seco (túnel)
• Lifolizador (FD)

PARA PROCESO

• Tanque
• Buques
• Caldera
• Reactor
• Columna de destilación
• Secadora
• Granulación

• Los termopares se utilizan para diferentes aplicaciones en la industria petroquímica:
• Termopares multipunto para Reactores, Crackers y Tanques de Gas Licuado.
• Termopares MI para superficie de tubo
• Unidad de recuperación de azufre
• Cracker y gas licuado en tanques
• Unidad de craqueo catalítico fluido (FCCU)