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Universidad Nacional de Chimborazo
Facultad Ingeniería
Carrera de Electrónica y telecomunicaciones
Tecnología Eléctrica
Nombre: Johnatan Robalino Fecha: 13 /05/2016
Curso: 2do Semestre Docente: Giovanny Cuzco
Ensayo de Termocuplas
Introducción
Las termocuplas consiste en medir la temperatura con cual es una magnitud de referida a las nociones
comunes de caliente, tibio, frío. En Tecnología Eléctrica, se define como una magnitud
escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero
de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía
interna conocida como "energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las
partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones.
Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de
la materia.
I. TERMOCUPLAS
Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una
termocupla se hace con dós alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura
en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta
con la temperatura. Este sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera.
Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las condiciones extremas en
ocasiones del proceso industrial que tratan de ayudar a controlar, por ejemplo suele utilizarse acero
inoxidable para la vaina, de manera que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de
los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio( cabezal ). Además según la distancia a
los aparatos encargados de tratar la pequeña señal eléctrica de estos transductores, también deben
utilizarse cables compensados para transportar esta señal sin que la modifique o la modifique de una
manera fácilmente reconocible y reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal. También se
da el caso de que los materiales empleados en la termocupla como el platino puro, hagan inviable
económicamente extender la longitud de los terminales de medición de la termocupla
II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Esquema de conexión de cable compensado y termocupla
Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-)
que al conectarse con la termocupla se debe respetar. Es importantísimo que estos dos cables
compensados sean para el tipo de termocupla que se está usando y además estén conectados con la
polaridad correcta ( + ) con ( + ) y ( - ) con ( - ). De otra forma será imposible obtener una medición sin
error.
Las termocuplas podrían clasificarse atendiendo a varios criterios como material del que están
construidas, su tolerancia o desviación, etc. Durante varios años ha habido diferentes organismos de
estandarización de nacionalidades diferentes intentando normalizar la gran variedad de este tipo de
sensores e incluso unificar sus criterios de normalización.
III. DISPOSITIVOS ACONDICIONADORES DE SEÑAL
Los transductores son dispositivos que convierten fenómenos físicos como temperatura, carga, presión
o luz a señales eléctricas como voltaje y resistencia. Las características de los transductores definen
muchos de los requerimientos de acondicionamiento de señales de un sistema DAQ.
Además al conectar el cable del termopar al cable que lo conecta al dispositivo de medición se crea una
junta termoeléctrica adicional conocida como junta fría. Entonces el voltaje medido, V MES incluye el
voltaje del termopar y los voltajes de junta fría (V CJ). El método para compensar estos voltajes de
junta fría no deseados es conocido como compensación de junta fría.
La mayoría de los productos de acondicionamiento de señal de National Instruments compensan las
juntas frías usando un sensor adicional, como un termistor o sensor IC. Este sensor es colocado en el
conector de señales o bloque terminal para medir la temperatura ambiente en la junta fría directamente.
El software después puede calcular la compensación apropiada para los voltajes termoeléctricos
indeseados.
RTDs
Otro popular sensor de temperatura es el resistance-temperature detector (RTD), un dispositivo que
incrementa su resistencia con la temperatura. El tipo de RTD más utilizado esta hecho de platino y
cuanta con una resistencia nominal de 100 W a 0 °C. Porque el RTD es un dispositivo resistivo, se debe
de pasar corriente a través del RTD para producir un voltaje que el dispositivo DAQ pueda leer. Con
resistencias relativamente bajas (100W) que cambian muy poco con la temperatura (menos de 0.4
W/°C), los RTDs requieren de acondiconamiento de señal con fuentes de exitación de corriente
altamente precisas, amplificadores de alta ganancia y conectores para mediciones de 4 y 3 hilos. Por
ejemplo, una medición de RTD de 2 hilos como la que se muestra en la Figura 3a, incluye errors de
caída de voltaje causados por la corriente de exitación pasando por la punta resistiva RL. Estos errores,
los cuales pueden ser significativos se eliminan usando un RTD de 4 hilos, como el de la Figura 3b. La
configuración de 4 hilos usa un segundo par de cables para pasar la corriente de exitación. De esta
manera una corriente casi insignificante fluye a través de los cables del sensor y así el error de punta
resistiva es muy pequeño.
Galgas Extensiométricas
La galga extensiométrica es un dispositivo comunmente usando el pruebas y mediciones mecánicas. La
galga más común, la galga extensiométrica de resistencia, consiste de una matríz de bobinas o cable
muy fino el cual varia su resistencia linealmente dependiendo de la carga aplicada al disposistivo.
Cuando usted usa una galga extensiométrica, usted pega la galga directamente al dispositivo bajo
prueba, aplica fuerza y mide la carga detectando los cambios en resistencia. Las galgas
extensiométricas también son usados en sensores que detectan fuerza, aceleración, presión y vibración.
www.ni.com/latam National Instruments 3 Ya que las mediciones de carga requieren detectar cambios
muy pequeños de resistencia, el circuito de puente Wheatstone se usa predominantemente. El circuito
de puente Wheatstone consiste de cuatro elementos resistivos con exitación de voltaje aplicado en las
puntas del puente. Las galgas extensiométricas pueden ocupar uno, dos o cuatro brazos del puente,
completando con resistencias fijas los brazos que sobran. La Figura 4 muestra una configuración con
una galga de medio puente, que consiste de dos elementos de carga RG1 y RG2 , en combinación con
dos resistencias fijas R1 y R2 . Con una fuente de voltaje VEXC alimentando el puente, el sistema de
medición mide el voltaje VMEAS a través del puente. En el estado donde no hay carga aplicada,
cuando la relación de RG1 a RG2 es igual a la relación de R1 y R2, el voltaje medido en VMEAS es 0
V. A esta condicion se le conoce como puente balanceado. A medida que carga es aplicada a las galgas,
el valor de sus resistencias cambia, causando un cambio cambios en el voltaje VMEAS. Los productos
de acondicionamiento para galgas extensiométricas cuantan con fuentes de exitación de voltaje,
amplificadores de ganancia y provisiones de resistores precisos y estables para completar los puentes
(vea Figura 5). Porque muy rara vez los puentes de galgas son balanceados perfectamente, algunos
acondicionadores de señales usan eliminación de offset, un proceso en el cual usted puede ajustar la
relación de resistencias y remover el voltaje de offset inicial. De manera alterna, usted puede medir el
voltaje de offset inicial y usar esta medición en sus rutinas de conversiones para compensar por la
condicion inicial.
LVDTs
Desplazamiento lineal. Todos los LVDTs consisten de una bobina estacionaria y un centro libre (vea
Figura a y dos bobinas secundarias. El centro es un rodillo altamente bobinas. Así el rodillo interno se
puede mover de un lado a otro libremente sin fricción. C secundarias a través del cento magnético. La
posición del centro determina que tanto la señal de excitación centro esta en el medio, los voltajes de
las bobinas centro se mueve hacia la izquierda, la bobina del centro se acopla mas a la bobina de la
izquierda. manera se crea una señal de salida en fase con la señal de excitación. Igualmente a medida
que el centro grados fuera de fase con el voltaje de e
Acelerómetros
Los acelerómetros son dispositivos usados para medir aceleración y vibración (Vea Figura 7). El
dispositivo consiste de una masa conocida pegada a un elemento piezoeléctrico. A medida que el
acelerómetro se mueve, la masa aplica fuerza al crystal generando una carga. Al leer esta carga se
puede determinar la aceleración. Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que solo miden
aceleración en un eje. Para monitorear aceleración en tres dimensiones, use un acelerómetro multieje.
Existen acelerómetros de dos tipos, pasivos y activos. Los acelerómetros pasivos envían la carga
generada por el elemento piezoeléctrico. Ya que la señal es muy pequeña, los acelerómetros pasivos
requieren de un amplificador para amplificar las señal. Los acelerómetros activos incluyen circuitería
interna para convertir la carga del acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente
constante de corriente para alimentar el circuito.
Señales de corriente
Muchos de los dispositivos y transmisores que se usan en aplicaciones de control y monitoreo de
procesos generan una señal de corriente, normalmente de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA. Las señales de
corriente se usan porque son menos propensas a los errores causados por ruido o caídas de voltaje en
cables que son muy largos. Los acondicionadores de señal convierten las señales de corriente a señales
de voltaje al pasar la corriente a través de una resistencia de precisión (Vea Figura 8). El voltaje que
resulta (VMEAS = IS R) después puede ser digitalizado.
IV. APLICACIONES
Las Termocuplas no estándar:
Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas además de aquellos que tienen
asignada una denominación con letra por la ISA (IEC). Estas otras termocuplas exhiben características
especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones
especiales. las características y la f.e.m. de salida pueden variar de un fabricante a otro, razón por la
que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones específicas.
Hay una aleación en particular, que debernos considerar por separado. Se trata de la aleación hierro-
constantán Fe - CuNi. quizás la más difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1
(IPTS - 68) y DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.
Características de las termocuplas no estándar
Las Termocuplas estándar:
Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society
of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de
correlación temperatura f.e.m. para estas termocuplas, las que han sido publicadas por el American
National Standards Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM).
Durante el año 1986. se ha procedido a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas),
NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y
f.e.m. así como en lo que hace a las tolerancias de estas f.e.m. en las distintas aleaciones.
Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (f.e.m.) correspondientes a distintas termocuplas
V. Efectos térmicos en conductores
Las termocuplas tipo J se usan principálmente en la industria del plástico, goma (extrusión e
inyección ) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). Que es una
termocupla ? ? Que són y como funcionan las termocuplas ? Control & Instrumentación Nota
Técnica 2, rev. b, http://www.arian.cl 2 La dependencia entre el voltaje entregado por la
termocupla y la temperatura no es lineal ( no es una recta ) , es deber del intrumento electrónico
destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el
tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje. 50 mV 25
mV 500 ˚C 1000 ˚C 1500 ˚C La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a
temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos
térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusívamente en la industria siderúrgica
(fundición de acero) Finálmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de
alimentos, pero hán sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100 (ver la nota técnica 4).
VI. ANÁLISIS
Se dedujo que la termocupla, también llamado termopar, es un dispositivo especial que se
utiliza para medir las temperaturas extremas o de gran alcance. Los termómetros estándar
funcionan bien en temperaturas normales, pero no soportan temperaturas extremadamente
calientes o frías. Un termopar, por otro lado, puede medir temperaturas por encima desde los
1800 grados centígrados hasta medir cerca de una temperatura cercana a los 0 grados. La
desventaja es que los termopares a menudo son menos precisos que otros dispositivos para medir
la temperatura.
Conclusión
Determinamos que las termocuplas es una buen tema de aprendizaje para la vida útil, con
aparatos midiendo la temperatura con lo cual más nos enseña y despeñarlo en las empresas, o
en otros lugares para una mejor desarrollo de investigación y así con llevar a un futuro ideal.