| thermocouple (Non-Standard Thermocouples: Characteristics, Construction, and Applications) |
Termocuplas no estándar
Existen muchos otros materiales utilizados para fabricar termocuplas, además de los que poseen una designación con letra según normas ISA o IEC. Estas termocuplas no estándar presentan características especiales que las hacen adecuadas para aplicaciones específicas. Sin embargo, tanto las características como la FEM generada pueden variar entre fabricantes, por lo que se recomienda consultar siempre con el proveedor en relación con aplicaciones particulares.
Termocupla Fe-CuNi (Tipo L)
Una aleación de uso extendido, especialmente en Argentina, es la hierro-constantán (Fe–CuNi). Esta fue muy utilizada antes de la adopción de normas internacionales como la ANSI MC 96.1 (IPTS-68) y la DIN 43710.
Esta aleación está identificada por la IEC con la letra L, y aunque su composición es similar a la del tipo J, presenta diferencias importantes. Por ejemplo, a 800 °C hay una diferencia de 13 °C en la lectura. A pesar de ello, en Argentina es común que se confunda con el tipo J. En la Tabla 5 se detallan las características de las termocuplas no estándar más utilizadas actualmente en la industria de procesos.
1.3 Diseño de las termocuplas
Requisitos de diseño
Los materiales para la fabricación de termocuplas deben cumplir con los siguientes requisitos:
-
Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
-
Generar una señal eléctrica medible y estable.
-
Tener la precisión adecuada.
-
Poseer una respuesta rápida a los cambios de temperatura.
-
Minimizar la transferencia de calor hacia o desde el medio, para evitar errores en la lectura.
-
En algunos casos, deben estar aislados eléctricamente de masa.
-
Ser económicos.
Construcción
En su forma básica, una termocupla se forma uniendo dos conductores (normalmente por soldadura) para generar la junta de medición. Luego, los conductores se aíslan utilizando materiales como fibra de vidrio, Teflón, cerámica o polvos cerámicos.
Estos conductores pueden usarse sin protección o dentro de tubos o vainas protectoras. Las vainas son comunes en termocuplas estándar, mientras que las termocuplas con blindaje metálico ofrecen protección mecánica y química suficiente para muchas aplicaciones.
Termocuplas con blindaje metálico (compactadas)
Fig. 6 - Construcción
de la junta de medición en termocuplas compactadas .
Estas termocuplas (ver figura 6) se construyen insertando polvo aislante (como óxido de magnesio) alrededor de los alambres dentro de un tubo metálico. Luego, se reduce el diámetro del tubo por trafilado, comprimiendo el material aislante. Finalmente, la unidad se trata térmicamente para aliviar tensiones y eliminar humedad.
Tipos de juntas de medición
-
Junta solidaria o a masa (fig. 6a): soldada al blindaje metálico.
- Mayor velocidad de respuesta.
- Protege contra daños mecánicos y presión.
- Es hermética.
-
Junta aislada (fig. 6b): separada eléctricamente del blindaje.
- Menor velocidad de respuesta.
- Evita tensiones por diferencias de dilatación térmica.
-
Junta expuesta: alambres fuera del blindaje.
- Respuesta más rápida.
- Menor protección frente a humedad o corrosión.
Las termocuplas blindadas son más resistentes que las convencionales con alambre aislado y pueden doblarse con radios de curvatura pequeños (hasta 2 veces el diámetro del blindaje). En aplicaciones exigentes, pueden colocarse dentro de una vaina adicional, cargadas con resorte para asegurar buen contacto térmico.
Se fabrican en diámetros desde 1 mm hasta 9,5 mm, y los blindajes pueden ser de diversas aleaciones, como aceros inoxidables o níquel-cromo.
Tabla 4. Limitaciones ambientales de las termocuplas (sin protección adicional)
| Tipo |
Atmósfera oxidante |
Reductora |
Inerte |
Vacío |
Sulfurosa |
Subcero |
Vapores metálicos |
| B |
Sí |
No |
Sí |
Sí (corto tiempo) |
No |
No |
No |
| R |
Sí |
No |
Sí |
No |
No |
No |
No |
| S |
Sí |
No |
Sí |
No |
No |
No |
No |
| J |
Sí |
Sí |
Sí |
Sí |
No (>500°C) |
No |
Sí |
| K |
Sí (1) |
No |
Sí |
No |
No |
Sí |
Sí |
| T |
Sí |
Sí |
Sí |
Sí |
No |
Sí |
Sí |
| E |
Sí |
No |
Sí |
No |
No |
Sí (2) |
Sí |
Notas:
- (1) Mejor que las termocuplas E, J o T por encima de 550 °C.
- (2) La más adecuada para temperaturas bajo cero.
Tabla 5. Características de las termocuplas no estándar más comunes
| Composición |
Características |
| NicroSil – NiSil (Níquel-Cromo-Silicio vs. Níquel-Silicio) |
Calibración de -240 a 1230 °C. Similar al tipo K, pero con mejor estabilidad y mayor vida útil. |
| Pt-20%Rh vs. Pt-5%Rh |
Mayor vida útil que los tipos R, S y B a temperaturas elevadas. |
| Pt-40%Rh vs. Pt-20%Rh |
Mayor vida útil que los tipos R, S y B a temperaturas elevadas. |
| Pt-13%Rh vs. Pt-1%Rh |
Mayor vida útil que los tipos R, S y B a temperaturas elevadas. |
| Pt-15%Ir vs. Pd |
Mayor FEM de salida que otras termocuplas de platino. |
| Pt-5%Mo vs. Pt-0,1%Mo |
Mayor resistencia a la radiación de neutrones comparado con otras de platino. |
| Ir-40%Rh vs. Ir |
Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino-rodio. |
| Ir-50%Rh vs. Ir |
Igual que la anterior: mayor capacidad de temperatura. |
| Rh-40%Ir vs. Ir |
También mayor capacidad de temperatura que las de platino-rodio. |
| Platinel I y II |
FEM similar al tipo K pero con mejor estabilidad térmica. |
| Geminol |
Mejor resistencia que el tipo K en atmósferas reductoras hasta 1090 °C. |
| Thermo-Kanthal especial |
Similar al tipo K, pero con mejor estabilidad. |
| Tophel II vs. Nial II |
Similar al tipo K, con mayor resistencia. |
| Chromel (3-G-345) vs. Alumel (3-G-196) |
Mayor resistencia que el tipo K en atmósferas oxidantes de bajo contenido de oxígeno. |
| W vs. W–26%Re |
Medición de temperaturas hasta 2700 °C. |
| W–3%Re vs. W–25%Re |
Hasta 2760 °C. |
| W–5%Re vs. W–26%Re |
Hasta 2700 °C. |
| Aleación hierro vs. Chromel |
Mejor capacidad de medición en temperaturas hasta –185 °C. |
Marcas registradas:
- (1) y (2) Amax Speciality Metals Corp.
- (3) Engelhard Industries Div. Engelhard Corp.
- (4) Driver-Harris Co.
- (5) Thermo-Kanthal Co.
- (6) Hoskins Manufacturing Co.
Consideraciones sobre la fuerza electromotriz (FEM)
Figura : Fuerza
electromotriz fem en función de lo temperatura para distintas termocuplas
por debajo de 0 ºC : a. Cu-constantán NBS 125 - b. Fe-constantán
NBS 125 - c. Chromel-Alumel NBS 125 - d. Chromel-constantán NBS
125 - e. Platinel 11 - f . AuCo-AgAu - g. AuFe-Chromel - h. Chromel-AgAu
NBS 124.
La FEM en función de la temperatura varía entre termocuplas estándar y no estándar, tanto por encima como por debajo de 0 °C:
-
A altas temperaturas, la termocupla PtRh 30% – PtRh 6% muestra una curva con pendiente casi nula en la zona de temperatura ambiente, lo que permite su uso sin necesidad de compensación.
-
A temperaturas bajo cero, se han caracterizado múltiples combinaciones, por ejemplo:
- a. Cu–Constantán NBS 125
- b. Fe–Constantán NBS 125
- c. Chromel–Alumel NBS 125
- d. Chromel–Constantán NBS 125
- e. Platinel II
- f. AuCo–AgAu
- g. AuFe–Chromel
- h. Chromel–AgAu NBS 124
Términos destacados :
- Aisladores cerámicos (Ceramic insulators)
- Alambres de termocupla (Thermocouple wires)
- Aleaciones especiales (Special alloys)
- Ambiente corrosivo (Corrosive environment)
- Aplicaciones industriales (Industrial applications)
- Atmósfera reductora (Reducing atmosphere)
- Blindaje metálico (Metal sheathing)
- Compactación con óxido (Oxide compaction)
- Conductividad térmica (Thermal conductivity)
- Conexión a masa (Grounded junction)
- Construcción hermética (Hermetic construction)
- Curva de calibración (Calibration curve)
- Diseño de termocuplas (Thermocouple design)
- Estabilidad térmica (Thermal stability)
- Fabricación de sensores (Sensor manufacturing)
- FEM de salida (Output EMF)
- Fibra cerámica (Ceramic fiber)
- Junta de medición (Measuring junction)
- Junta expuesta (Exposed junction)
- Junta solidaria (Grounded junction)
- Junta soldada (Welded junction)
- Materiales termoeléctricos (Thermoelectric materials)
- Normas IEC (IEC standards)
- Óxido de magnesio (Magnesium oxide)
- Precisión de medición (Measurement accuracy)
- Protección química (Chemical protection)
- Radios de curvatura (Bending radii)
- Respuesta térmica (Thermal response)
- Termocupla tipo L (Type L thermocouple)
- Vaina protectora (Protective sheath)
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