Tema 5: Concepto de Temperatura

Tema 5: Concepto de Temperatura

La temperatura es una de las magnitudes mensurables más importantes

Históricamente: pasos para definir una escala de Tª
Galileo al reconocer que era una magnitud mesurable (fluía de un
cuerpo caliente a uno frío)

Gabriel Fahrenheit (1686-1736) perfecciona el termómetro de
mercurio graduándolo con dos puntos fijos



Temperatura de una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonio

La temperatura de la sangre humana
Anders Celsius (1742) propuso como referencia

Los puntos de fusión y ebullición del agua
denominó 100ºC y 0ºC

Estas denominaciones se invirtieron para dar lugar a la actual escala
Celsius (Denominada así desde 1948)
A principios del siglo XIX: Wiliam Thomson desarrolló una escala de
temperaturas basada en la TermoDinámica (coeficiente de expansión
de los gases ideales)

mjmm@usal.es
1
Tema 5: Escalas de Temperatura

Tª de un objeto:
es una medida de su energía
 Propiedad que determina si está en equilibrio térmico con su ambiente
 Si transcurre un tiempo necesario el objeto llegará al equilibrio térmico
y cesarán las transferencias de calor

Escalas absolutas de Tª de un objeto: asignando valores numéricos de:
Posición del cero: se asigna T=273.16 K al estado en el que hay equilibrio
entre las tres fases s, l, g del agua
la energía térmica es nula
 Tamaño de la unidad de medición:




Grado Kelvin (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 100 K)
Internacional
Grado Rankine (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 180 R)
T (K)=(100/180) T(R)
 Escalas
Sistema
relativas de Tª de un objeto:
Posición del cero : T(C)=T(K)-273.15 , la cantidad de energía de un grado
Celsius y uno Kelvin es la mima
También la cantidad de energía de un grado Fahrenheit y Rankine es la misma,
pero T(F)=T(R)-459.6
 La equivalencia: T(F)=1.8 * T(C)+32

mjmm@usal.es
2
Tema 5: Sensores de Temperatura


La Temperatura no se mide directamente
 La expansión de un líquido
 El cambio en una resistencia, etc.
Sensores de Temperatura

se observan sus efectos:
Necesario estudiar la
linealidad del efecto
observado
Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs
Uso muy frecuente: cubren un rango de Tª de -100 ºC a + 800ºC, gran
precisión y repetibilidad:
 Principalmente de dos tipos:



RTDs Metálicos (más precisos y más estables)
RTDs Semiconductores o Termistores (son más baratos y más sensibles)
Termoeléctricos o termopares:
Efecto Seebeck, Peltier y Thomsom
(más versátiles)
 Sensores de temperatura basados en dispositivos electrónicos
integrados
diodos (uniones p-n)


De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:


El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso
La mejor elección dependerá de la aplicación y del rango de Tª
mjmm@usal.es
3
Tema 5: Sensores de Tª Resistivos:RTDs

Sensores de Temperatura resistivos: RTDs metálicos

PRINCIPIO FISICO: los átomos del metal vibran al aumentar la Tª
aumenta la probabilidad de colisión de los electrones
su
resistencia (al al paso de corriente eléctrica) aumenta con la Tª
l
R
A

R  l A



R

l
A
se considera que las deformaciones longitudinales (l) y
de área (A) son despreciables
el efecto
principal se manifiesta a través de cambios en 
Métodos para convertir los valores de Resistencia a Tª
Consultando una tabla y transformando la correspondiente R
se utiliza en
programas de software
no sirve en medidas a tiempo real
 La utilización de una ecuación polinómica. La dependencia de R con la Tª
para la mayoría de materiales utilizados



R  R0 1  a1T  a2T 2  a3T 3  ...
1. R0 es el valor de resistencia a T=0)
2. El número de variables ai depende del material
(Coeficientes de Callendar-Van Dusen)
3. Si T aumenta
R aumenta
mjmm@usal.es
+tº
Símbolo para una R con
dependencia intrínseca
de Tª y variación lineal
4
Tema 5: RTDs metálicos
Los materiales más utilizados
requieren al menos a1, y a2 para
una representación correcta de la resistencia

El Platino (Pt): a1 =3.90 10-3 K; a2 =-5.83 10-7 K2
Es el más utilizado (el más lineal): PTD
 El Níquel (Ni)
 El Cobre (Cu)


La construcción de un RTD metálico

Hasta 650ºC: a1 T> 10 a2 T2
diferentes técnicas:
1. La configuración clásica RTD consta de:


Un cable de Platino de longitud L arrollado sobre
Una bobina de cristal o cerámica
Keithley.Instruments, 2001
J. Turner, et al. 1999

2. Otra configuración se construye:
depositando una película conductora sobre un
substrato no conductor

En ambos casos, finalmente se encapsula en
un material protector y se incluyen los
conectores para realizar las tomas de
temperatura (thermocouple
probes)
mjmm@usal.es

5
Tema 5: RTDs metálicos

Las limitaciones de los RTDs metálicos



No se pueden medir Tª próximas ni superiores a la Tª de fusión del conductor

Para medir una Tª
el sensor debe estar a esa Tª
posible autocalentamiento

Es muy importante el coeficiente de disipación de calor:  (mW/K)
La posible presencia de deformaciones mecánicas ( galgas extensiometricas)
provocan también un cambio en R
Las ventajas de los RTDs metálicos
La sensibilidad es 10 veces superior a los termopares, Alta repetibilidad
 Exactitud en el caso del Pt
En el rango lineal, la variación de R :
 Bajo coste en el caso del Cu, Ni

R  R0 1  a1 T 
Coef. de Tª de la Resistencia (TCR) o sensibilidad relativa
dR / dT R  R0
TRC   

R
R T0
mjmm@usal.es
TRC0 º 
R1º  R1º
R0 º 2 º C
TRC100 º 
R101º  R99 º
R100 º 2º C
Para materiales con TRC lineales se define un
valor promedio (por ejemplo entre 0º y 100º C)
6
Tema 5: RTDs metálicos

Ejemplos de RTDs metálicos
J. Turner, et al. 1999
Para los RTDs de Pt se han emitido especificaciones internacionales
de las características deben cumplir: Norma IEC-751
El más importante es el Pt 100

mjmm@usal.es
7
Tema 5: RTDs metálicos
Norma
IEC-751
www.lakeshore.com
mjmm@usal.es
8
Tema 5: RTDs metálicos
Norma
IEC-751
mjmm@usal.es
www.lakeshore.com
9
Tema 5: RTDs metálicos

Tipos de RTDs metálicos
Existen
diferentes terminaciones: helicoidales de libre deformación para
aplicaciones de laboratorio, industriales, etc.
www. omega.com
mjmm@usal.es
10
Tema 5: RTDs metálicos
www.omega.com

Tipos de RTDs metálicos

RTDs de película delgada
www.omega.com
mjmm@usal.es
11
Tema 5: RTDs metálicos
Para medir la resistencia del RTD para luego convertirla a Tª
 Debemos un RTD a un DMM : se utilizan puentes de Wheatstone
 Al igual que en multímetros, se utiliza la configuración de medida en cuatro
hilos para que las resistencias del cableado no den lugar a error

Keithley. 2001
Keithley. 2001
Puente con dos-hilos y RTD
Puente con 4-hilos y RTD
VM
RTD

Conociendo el valor de RTD y el coeficiente TCR se obtiene la Tª
I
RTD
mjmm@usal.es
12
Tema 5: RTDs metálicos

Aplicaciones de RTDs metálicos

La aplicación inmediata
medida de temperaturas
W. Siemens en 1871 propuso el Pt para esta medida y se continúa empleando
para rangos de Tª de -182.96ºC hasta 630.74 ºC
En aplicaciones donde el Pt resulte caro, se emplea el Niquel o el Wolframio a
Tª elevada
 Los RTDs de película fina son más económicos que los de bobinado
 Aplicaciones industriales múltiples:




Automóviles: Tª del aire de entrad al motor, Tª del habitáculo (para el aire
acondicionado, las sondas en los parachoques miden la temperatura de la carretera
o presencia de hielo)
Múltiples aplicaciones en electrodomésticos
Edificios y fábricas: medidas para controlar el consumo de agua caliente, medir la Tª
de gases en chimeneas, combustiones de calderas, etc.
También es posible con RTDs de Pt medir la velocidad de un fluido en lo
que se denomina la anomometría de hilo caliente.

mjmm@usal.es
13
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores

Sensores de Temperatura resistivos: RTDs semiconductores
o termistores (thermistor: thermally sensitive resistor)
Son sensores basados en dispositivos semiconductores pasivos
Ventajas de los Termistores comparados con los RTDs metálicos


Son sensores más pequeños que los RTDs metálicos


Por tanto responden a pequeños cambios de temperatura
Son relativamente frágiles
Ofrecen un rango de valores de resistencia más amplios: desde k - M
 Comparados con los RTDs metálicos, el TCR es elevado
mayor cambio
en Tª por grado ºC.




No son necesarias las técnicas de instrumentación con hilos para la medida
Pueden utilizarse entradas de instrumentos de elevada ganancia
Desventajas/limitaciones de Termistores frente a los RTDs metálicos

Son dispositivos que se utilizan para Tª baja: -50 ºC hasta 150 ºC

Rango de temperaturas pequeño comparado con RTDs metálicos y termopares
Su respuesta es muy poco lineal
 No están tan estandarizados como los RTDs metálicos y termopares

mjmm@usal.es
14
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores
Clasificación
de Termistores según al coeficiente de temperatura (TCR)
:
PTC
Positivo:se
denominan PTCs
(Positive Temperature Coeficient)
+tº
NTC
Negativo: se denominan NTCs
(Negative Temperature Coeficient)

-tº
PRINCIPIO FISICO: se basan en la dependencia de la resistencia de los
semiconductores con la Tª
Al aumentar la Tª aumenta el nº de
portadores
se reduce la 
se reduce la R
TCR negativo

R
l
A

1


l
qn
Si el semiconductor está muy dopado el SC adquiere propiedades metálicas
y en un margen de Tª limitado muestra (como un RTD) un TCR positivo

mjmm@usal.es
15
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores
Método
para convertir los valores de Resistencia de Termistores a Tª
NTCs: en un margen de Tª reducido (50ºC), la dependencia se puede
considerar de tipo exponencial :

tº
NTC
RT  R0 expB 1 / T  1 / T0 
1. R0 es el valor de resistencia a
T=25ºC u otra T de referencia
2. T0 = esa Tª de referencia en K
3. B = Tª característica del material
(toma valores entre 2000 K- 5000 K)
4. B = no es totalmente constante con el material
5. Si T aumenta
R disminuye
Variación con Tª de R de diversos
termistores
NTCs
mjmm@usal.es
J. Turner, et al. 1999. (Documentación Thermometrics)
16
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores
Por
analogía con los RTDs, en los NTCs se puede definir:
Coef. de Tª de la Resistencia (TCR)
NTC
dR / dT
B
TRC   
 2
R
T
-tº
RT  R0 expB 1 / T  1 / T0 
TRC o sensibilidad relativa indica la variación relativa de la resistencia con la Tª
 Este TRC no es constante en un termistor

Como  .R0 no es constante
el sensor es no lineal: no se ha conseguido
normalizar curvas de termistores del modo realizado con RTDs o termopares


Hay una gran dispersión entre precios y resultados de diferentes fabricantes
A T=25ºC y con B=4000 K, resulta que  =-4.5 %/K
superior a la del RTD PT100

sensibilidad 10 veces
mjmm@usal.es
17
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores

Los fabricantes que han conseguido desarrollar un buen proceso de fabricación


Proporcionan tablas y figuras muy detalladas de R=f(T)
Generalmente, también especifican el máximo margen error del Termistor con
respecto a la tabla.
http://www.hispavila.com/3ds/tutores/divstension.html#Sensores_de_temperatura
mjmm@usal.es
18
Tema 5: Termistores

Tipos de RTDs semiconductores o Termistores con NTC
Distintas formas de los
Termistores NTC
J. Turner, et al. 1999 (cortesia de Fenwal Electronics)
mjmm@usal.es
19
Tema 5: Termistores
Acondicionamiento de la señal para Termistores con NTC
 Al presentar un coeficiente TCR elevado, no son necesarias
configuraciones sensibles: puentes

Keithley. 2001
El montaje experimental standard
 El cálculo de la resistencia
a través de la ley de Ohm

Keithley. 2001
Circuitos de Termistores con 2 hilos
Circuitos de Termistores con 4 hilos
mjmm@usal.es
20
Tema 5: Termistores
Linealización de Termistores con NTC
 A veces se usa el NTC como un sensor linealizado
resistencia R en paralelo:

RT  R0 expB 1 / T  1 / T0 

RO=25 K y
B=4000 K
R  18.5 K
RT
utilizando una
tº
NTC
linealizado
R
J. Turner, et al. 1999
De esta manera, la variación
con la temperatura se puede
elegir de modo que :

mjmm@usal.es
21
Tema 5: RTDs semiconductores: Termistores

Método para convertir los valores de Resistencia de Termistores a Tª

PTCs dos tipos :
PTC
+tº


PTCs cerámicos: cambio brusco de Tª cuando se alcanza la Tª de Curie: Positores
Aplicaciones de protección térmica a motores, transformadores
PTCs de silicio dopado: variación más suave con la temperatura: Silistores
El uso de
PTCs es
más
restringido
que el de
NTCs
J. Turner, et al. 1999
mjmm@usal.es
Característica resistencia-Tª de (a) un PTC (positor); (b) silistor
22
Tema 5: Sensores de Temperatura

La Temperatura no se mide directamente


La expansión de un líquido
El cambio en una resistencia, etc.
se observan sus efectos:
Necesario estudiar la linealidad
del efecto observado
 Sensores de Temperatura

Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs
 Uso muy frecuente: cubren un rango de Tª de -100 ºC a + 800ºC, gran
precisión y repetibilidad:
 Principalmente de dos tipos:


RTDs Metálicos (más precisos y más estables)
RTDs Semiconductores o Termistores (son más baratos y más sensibles)

Termoeléctricos o termopares:
Efectos Seebeck, Peltier y Thomsom
(más versátiles)
 Sensores de temperatura basados en dispositivos electrónicos integrados

De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:


El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso
La mejor elección dependerá de la aplicación y del rango de Tª
mjmm@usal.es
23
Tema 5: Efectos termoeléctricos: Termopares
PRINCIPIO FISICO:

se basan en el efecto Seebeck
El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann
Seebeck (1770 – 1831):


En un circuito eléctrico compuesto por dos metales diferentes A y B en serie

Las uniones entre A y B se encuentran a diferente temperatura: T y T+T
Si los conductores forman un circuito cerrado
aparece una corriente (I
( )

Si forman un C.A. aparece una diferencia de
potencial VAB o (f.e.m. ) que depende:

A
T
De la diferencia de Tª de las uniones
 De la naturaleza de los metales:S
metales: A, SB
 Coeficiente Seebeck: SAB
I B

S AB 
dVAB
 SA  SB
dT
T+T

A
T
T+T
V
Conversión de energía
térmica a eléctrica: termopar
mjmm@usal.es
B
24

Tema 5: Efectos termoeléctricos: Termopares

En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier descubrió :
Efecto Peltier: Si circula una corriente a través del termopar (I
()
 La temperatura de una unión aumenta con respecto a otra
calor es transferido desde una unión a otra
 La cantidad de calor transferido:

Es proporcional a la corriente I :
 Cte proporcionalidad: Coeficiente Peltier AB
(dimensiones de tensión)
 El flujo de calor se invierte si la I cambia de sentido
el

dQP    AB I dT
(la unión que antes se calentaba = cedía calor, ahora se enfría = absorbe calor)
 AB  T SB  S A    BA
Este efecto no depende de la forma o
dimensiones de los conductores
 Efecto Peltier: El calor es proporcional
a I y no a I2 R como en el efecto Joule

mjmm@usal.es
Absorbe
calor
A
Cede calor
T+ T
T-T
I
25
B
Tema 5: Efectos termoeléctricos: Termopares

El científico escocés William Thomson (más tarde Lord Kelvin) 1854:
Efecto Thomson: absorción o liberación de calor por parte de un conductor
homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente


Dependiendo del sentido de la I en el conductor y el sentido del flujo de calor: Q
A
Q
A
T1
Absorbe calor
T1<T2 (a)
T2
T1
T2
I
conductor
A
B
I
B

T1
Q T
2
T1>T2 (b)
Cede calor
El flujo de calor a nivel del conductor:
 
Se absorbe calor si fluye I
en sentido contraria al
flujo de calor (de un punto
frio al caliente)
Se libera calor si
fluye I de un punto
caliente al frio (Los
portadores se
enfrían
el
sistema se calienta)
Q  I 2R  I 
  : Coeficiente Thomsom de cada conductor
mjmm@usal.es
dT
dx
Efecto Joule Efecto Thomsom
26
Tema 5: Efectos termoeléctricos: Termopares

Los Termopares son sensores de Tª basados en los efectos termoeléctricos:
La enegía termomotriz producida = energía térmica neta transferida + efecto Joule (para
corrientes bajas es despreciable)


Podemos demostrar que:
SAB 
dVAB d AB

  B   A 
dT
dT
A
T1
Cede calor
I
A
d AB
dT
Q
Teorema fundamental de
termoelectricidad
El efecto Seebeck es un resultado
de la combinación de los efectos
Peltier y Thomsom
T2<T1
Absorbe
calor
B
mjmm@usal.es
B
Todos los metales exhiben en mayor o
menor medida el efecto Seebeck y el
efecto es repetible si se utiliza el mismo
par de materiales
Aplicación de la termoelectricidad a la
medida de Tª ( sensores de
temperatura)
27
Tema 5: Sensores de Tª: Termopar

Termopares: termoelectricidad para la medida de Tª

Características de un Termopar ideal:
La Tª máxima < Tª fusión del material
 Formados por dos conductores homogéneos (de una sola pieza) de distintos
materiales, aleaciones
no deben sufrir tensiónes mecánicas
 Los conductores están conectados y unidos en el extremo que servirá para
tocar o acercar al objeto del cual queremos averiguar su temperatura.
 En un circuito se mantiene una unión a Tª constante y conocida (unión de
referencia: Tref):
esto repercute en que la tensión de salida es pequeña
sensibilidad típica de 6- 75 µV/ºC
 La f.e.m. será función de la Tª a la que esté sometida la otra unión (unión de
medida: Thot)
 Debemos evitar que circulen corrientes elevadas: reducir efecto Joule
 Si se desea una exactitud elevada,
no linealidad entre la diferencia de
potencial y la Temperatura

VAB  f (T )
VAB  C1(T1  T2 )  C2 (T12  T22 )
La realización de termopares útiles viene limitada porque C2 sea muy pequeño
En la práctica, veremos que se hace al reves: T=f(V)
mjmm@usal.es
28
Tema 5: Sensores de Tª: Termopar

Termopares:

A pesar de las limitaciones, los termopares presentan muchas ventajas
 Las ventajas más destacables son:
Se
pueden construir con una muy pequeña
capacidad calorífica
 El rango de medición en Tª es muy amplio: 270ºC hasta 3000 ºC
 Su estabilidad a largo plazo es aceptable y
su fiabilidad elevada
 Presentan mayor exactitud que los RTD y
son relativamente baratos
 Son muy tolerantes a condiciones duras de
proceso
 Su pequeño tamaño hace que su respuesta
sea rápida
 Son robustos, simples y flexibles en su
utilización
 Permiten el uso de hilos de conexión largos
(hilos de extensión)
mjmm@usal.es
http://www.uhv.es/sites/milka/es/instrumentos.htm
29
Tema 5: Efectos termoeléctricos: Termopares

Tipos de Termopares
En las uniones de termopar interesa tener: resistividad elevada para tener una
resistencia alta sin requerir mucha masa
 Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:




Níquel (90) / Cromo (10): Cromel
Cobre (57) / Níquel (43)
Níquel (43) / Aluminio (2) / Manganeso (3) /silicio (1): Alumel
La protección frente al ambiente se logra mediante una vaina (normalmente de
acero inoxidable)
el espesor de la vaina afecta a la velocidad de
respuesta y la robustez de la sonda
 Termopar industrial con vaina:










1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Conductores (diferentes)
Unión de medida
Unión de referencia
Hilos de termopar sin aislar
Hilos de termopar aislados
Cables de extensión (= a los del termopar)
Cables de compensación (diferentes
de los del termopar pero con f.e.m pequeña)
8. Caña pirométrica
9. Protector (cubierta
externa) y 10. Cabeza de la caña
mjmm@usal.es
R. Pallás, 1998
30
Tema 5: Sensores de Tª: Termopar
En la tabla se recogen las características de algunos de los
termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas
ANSI-MC96.1-1982

Para poder decir que un termopar determinado cumple con la norma ANSIMC96.1-1982 su respuesta no debe apartarse de la tabla respectiva más
del límite indicado:

mjmm@usal.es
http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm
31
Tema 5: Sensores de Tª: Termopar

Podemos destacar las siguientes características:
Termopares J: versátiles y de bajo coste
atmosferas oxidantes o reductoras

es posible su empleo en
aplicación para hornos de combustión abiertos a la atmósfera

Termopares K: se emplean en atmósferas no reductoras


En su margen de medida son mejores que los E, J y T cuando se trata de medir en
atmósferas oxidantes
Termopares T: resisten la corrosión
atmósferas de alta humedad
Termopares E: son de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo
de 0ºC y las atmósferas oxidantes

Termopares N: resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas
temperaturas

Termopares (B, R y S), con metales nobles, tienen muy alta la resistencia a
la oxidación y a la corrosión

mjmm@usal.es
32
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
Los termopares J, T, etc. son de tipo estándar
 Tienen los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo descrito en
la tabla ANSI para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de
medición de temperatura.

www.monografías.com
Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación
se debe tener en cuenta:

Rango de temperatura a medir.
 Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación
 ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este le altere?
 ¿Qué tipo de contacto físico se requiere para sensar la temperatura?

mjmm@usal.es
33
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
La tensión de salida correspondiente a distintas Tª cuando la unión
de referencia está a 0.00ºC está tabulada

Esto no significa que la unión a 0.00ºC dé siempre una tensión de 0 V para
cualquier termopar
 Al medir la tensión de una unión hay que introducir otra unión



Se habla de diferencia de tensiones entre uniones a diferentes temperaturas
No se habla de la tensión debida a una unión
Introducimos una tabla de este tipo
se obtienen mediante interpolación lineal

las temperaturas intermedias
Unidades
de la
Thot
Tref=0ºC
Decenas
de la
Thot
R. Pallás, 1998
mjmm@usal.es
34
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares

Ejemplo 1: Un circuito constituido por un termopar tipo J tiene una unión a 0ºC y
otra a 45 ºC. ¿Cuál es la f.e.m. en circuito abierto?

Respuesta: vemos la tabla
 Fila correspondiente a 40 y columna correspondiente a 5
V=2.321 mV
Ejemplo 2: Si en un termopar tipo J con una unión en 0ºC, se obtiene,
en circuito abierto, una tensión de 5 mV ¿Cuál es la Tª de la otra unión?


Respuesta: vemos la tabla Fila correspondiente a 90


Columnas correspondientes a 95 y 96 respectivamente: 5.050 mV y 4.996 mV
La sensibilidad de la zona = 5.050-4.996=54 µV/ºC
la unión está a 95.07 ºC
Unidades
de la
Thot
Decenas
de la
Thot
R. Pallás, 1998
mjmm@usal.es
35
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
En la web existen tablas para los termopares de uso típico en la industria
con resolución de 1ºC, válida para la Tª de unión de referencia de 0ºC

La
relación Tª (ºC) - Tensión (mV) para un termopar tipo J (Hierro-Contantán
(aleación de Cu y Niquel), según la norma ANSI-MC96.1-1982:
Decenas
de la Thot
Centenas
de la Thot
mjmm@usal.es
http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm
36
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
Las tablas Tª (ºC) - Tensión (mV) -que son para una Tª de la unión de
referencia (este caso 0ºC)- pueden utilizarse también a Tref diferentes
 Para ello debe hacerse la compensación de la tensión resultante :

La tensión de salida del termopar es función de la diferencia Tref- Thot
 Si utilizamos una referencia mayor que la de la tabla, todas las tensiones
serán menores que las tabuladas
 Ejemplo; Supongamos tener un termopar tipo J con Tref=25 ºC



La tabla indica una tensión de 1.277 mV para Thot=25ºC con Tref=0ºC
Para una Tª de 100ºC, en vez de 5.268 mV tendremos 5.268 mV-1.277=3.991 mV
R. Pallás, 1998
mjmm@usal.es
37
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
En un sistema automático se emplean polinomios que aproximan estas
tablas con una exactitud que depende del grado del polinomio

T  a0  a1 V  a2 V 2  ...
En la tabla mostramos los coeficientes ai de diferentes termopares
comunes dentro del margen y del grado de aproximación especificados

Si el margen de medida es amplio, en vez de emplear polinomios de orden
cada vez mayor, se divide el margen en varios tramos más pequeños

R. Pallás, 1998
mjmm@usal.es
38
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
En la figura
mostramos la
característica
TensiónTemperatura de
diferentes tipos de
termopares

http://www.thermosensors.com/
mjmm@usal.es
39
Tema 5: Sensores de Tª: Termopares
Hay casos en los que el termopar es envainado en metal o sellada en
vidrio para protegerla de ambientes hostiles u aún alojada en un
termopozo metálico
 Según la aplicación, a nivel comercial disponemos de distintos tipos de
uniones


Unión soldada Unión soldada
en paralelo
en extremos
Las uniones desnudas (a-d):
Hilo trenzado
Se emplean para medidas estáticas, pero
son frágiles
 También tienen aplicación para medir la Tª
de flujos de gases no corrosivos en los que
se requiere una respuesta rápida

Las uniones aisladas: se emplean para
medir en ambientes corrosivos donde
además interese el aislamiento eléctrico
del termopar

Queda encerrado por la vaina
 Aislado de la vaina por un buen conductor
térmico como el aceite, mercurio, aislante
mineral (MgO)
Termopar expuesto: Termopar
R. Pallás, 1998

mjmm@usal.es
Termopar unido
a la cubierta:
respuesta rápida encapsulado: aislamiento ambiental
aislamiento eléctrico
y ambiental
40
Tema 5: Comparación sensores Tª

Características normalizadas de diferentes sensores de Tª
Web de Instrumentación y Control de procesos indusstriales- 22.73. Argentina
mjmm@usal.es
41
Tema 5: Comparación sensores Tª

Características de distintos tipos de sensores de Tª
www.monografías.com
mjmm@usal.es
42
Tema 5: Comparación sensores Tª

Características de distintos tipos de sensores de Tª
http://www.fisicarecreativa.com/guias/sensorestemp.pdf
mjmm@usal.es
43
Tema 5: Comparación sensores Tª

El termopar es el sensor de temperatura que tiene un rango más amplio
 Desde la temperatura más baja obtenible hasta la Tª en la que se funden los metales
que constituyen el par
 En la práctica pueden medir en un rango que va desde 270ºC hasta 2353 ºC, pero
existen tipos especiales que abarcan rangos superiores e inferiores
Las tensiones que produce el termopar son inferiores a 100 mV
 En cuanto a la sensibilidad

En el caso más favorable (tipo E @ 600 ºC) la sensibilidad es de 80 µv/ºC
 En el caso más desfavorable (tipo B @ 900 ºC) la sensibilidad es de 8 µV/ºC

La tensión de salida del termopar es una función directa de la diferencia entre
Thot y Tref
 Las caractersíticas del termopar dependen del par de metales que lo
constituyen
 En la práctica, no es afectada por el autocalentamiento

mjmm@usal.es
44
Agradecimientos

Figuras cortesía de:












J. Turner, M. Hill. “Instrumentation for Engineers and Scientists”. Oxford
University Press.1999.
Data Acquisition and Control Handbook. Keithley Instruments. 2001.
(Instrumentos de Medida S.L.) IDM-Instrumentos.
R. Pallás, Sensores y acondicionadores de señal. Marcombo, 1998.
Web de Instrumentación y Control de procesos industriales- 22.73. Argentina.
http://www.uhv.es/sites/milka/es/instrumentos.htm
http://www.monografías.com/transductoresdetemperatura
http://www.fisicarecreativa.com/guias/sensorestemp.pdf
http://www.lakeshore.com
http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm
http://www.hispavila.com/3ds/tutores/divstension.html#Sensores_de_temperatur
a
http://www.omega.com
http://www.thermosensors.com
mjmm@usal.es
45