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Termopar – Información Técnica

 

Tipos de Termopares, Normativas y Tablas de Referencia

Se han utilizado muchas aleaciones para producir termopares que cubren las necesidades de la industria, cada uno con un rango de aplicaciones particulares. No obstante, la posibilidad de intercambiarlos y la reducción de costes por una producción en serie, han dado como resultado la normalización y estandarización, siendo bastante habitual ciertos tipos de termopares específicos cubriendo en su casi totalidad la mayor parte de las aplicaciones de temperatura. La norma europea IEC 60584.1 (BS EN 60584.1) dictamina unas tablas de referencia tabuladas donde se representan la temperatura en intervalos de 1ºC frente a la f.e.m. generada y viceversa (con un intervalo de 1µV). Los datos de estas tablas están calculados para una temperatura de 0ºC en la unión de referencia. Merece la pena destacar que las normativas no se refieren a la construcción o aislamiento de los cables.

La normativa cubre ocho tipos de termopares de uso más común, haciendo referencia a las designaciones alfanuméricas de cada tipo, las cuales son reconocidas internacionalmente y muestra las tablas de referencia completas para cada termopar (todas están expuestas en esta guía). Vamos a analizar cada tipo de termopar en profundidad, evaluando su valor, sus propiedades y las aplicaciones que abarca. Cuando nombramos la composición de los termopares debemos tener en cuenta que siempre se hace referencia en primer lugar al conductor positivo. El rango de aplicación indicado, especialmente en el caso de los termopares de metal común, no siempre es un valor estricto. Siempre se debe tener en cuenta otros factores como el diámetro del cable, el entorno y la expectativa de vida del termopar.

Las tablas 3.1 y 3.2 resumen los materiales utilizados por los termopares a base de metales precios (platino) y termopares de metal común. El dominio de temperatura está reflejado en estas tablas así como la composición de los conductores. Este rango difiere del domino real de utilización.


Tabla 3.1: Termopares de metal precioso (platino)



Tabla 3.2: Termopares de metal común


IEC 60584-1 - TIPO S: PLATINO - 10% RODIO / PLATINO

Se puede utilizar este termopar, también reconocido según la IEC 60584.1 parte 1, en entornos oxidantes o inertes de forma continua. Su temperatura máxima de uso es de 1600ºC y durante breves periodos de tiempo hasta 1700ºC. Habitualmente este tipo de termopar se suele utilizar para temperaturas superiores a 1000ºC. Para trabajar a altas temperaturas, se utilizan aislantes y vainas fabricadas de alúmina recristalizada de alta pureza. De hecho, en todas las aplicaciones excepto aquellos entornos con ambiente no contaminado, necesita protección mediante una vaina no porosa, ya que pequeñas cantidades de vapor metálico pueden causar deterioro y reducción en la f.e.m. generada por este termopar. El uso continuado a altas temperaturas puede causar su degradación y existe la posibilidad de difusión de rodio en el conductor de platino puro, de nuevo, provocando una reducción del nivel de salida.

IEC 60584-1 - TIPO R: PLATINO - 13% RODIO / PLATINO

Sus características son similares a las del tipo S. Este tipo de termopar definido según la IEC 60584.1 parte 2 tiene la ventaja de generar una f.e.m. de salida ligeramente mayor y poseer mayor estabilidad. En general, se prefieren los termopares tipo R sobre los de tipo S y las aplicaciones para las que se utilizan son prácticamente las mismas.

IEC 60584-1 - TIPO J: HIERRO / COBRE - NÍQUEL



Comúnmente llamado hierro/Constantán y definido según la IEC 60584.1 parte 3, este es uno de los pocos termopares que se pueden utilizar de forma segura en atmósferas reductoras. La degradación es rápida en ambientes oxidantes por encima de los 550ºC. La temperatura máxima de funcionamiento en continuo es de aproximadamente 800ºC, aunque para usos en cortos plazos de tiempo pueden alcanzar temperaturas de hasta 1000ºC. La temperatura mínima es de -210ºC, pero se debe tener cuidado con la condensación a temperaturas por debajo de las ambientales ya que los conductores pueden debilitarse o sufrir la oxidación del conductor de hierro.

IEC 60584-1 - TIPO K: NÍQUEL - CROMO / NÍQUEL - ALUMINIO



Llamado habitualmente Cromel-Alumel, sigue siendo el termopar más utilizado para aplicaciones industriales, también se define según la IEC 60584.1 parte 4. Está concebido principalmente para ambientes oxidantes. De hecho, se debe tener especial cuidado a la hora de proteger el sensor cuando se utiliza en otro ambiente distinto. La temperatura máxima en continuo se aproxima a los 1100ºC y en períodos cortos de tiempo alcanza los 1200ºC. Por encima de los 800ºC la oxidación causa deriva de forma más pronunciada. Este versátil termopar es también apto para aplicaciones de criogenia hasta -250ºC. Aunque el tipo K es el termopar mas utilizado debido a su rango y su precio, no es tan estable como los otros sensores de metal común. Para temperaturas entre 250ºC y 600ºC, pero especialmente entre 300ºC y 550ºC, la histéresis cíclica de temperatura puede dar errores de varios grados. Aunque el tipo K se utiliza popularmente en aplicaciones nucleares debido a su relativa dureza frente a la radiación, actualmente el tipo N posee mejores características.

IEC 60584-1 - TIPO T: COBRE / COBRE - NÍQUEL



Usualmente llamado cobre-Constantán (IEC 60584.1 parte 5) típico para la medida en laboratorios en un rango comprendido entre -250ºC y 400ºC, por encima de estos valores la oxidación del conductor de hierro aumenta rápidamente. La repetibilidad es excelente en el rango de -200ºC a 200ºC (±0.1ºC). Es importante tener en cuenta la alta conductividad térmica del conductor de cobre. La aleación de cobre/níquel usada en el conductor negativo para estos termopares no es la misma que la del tipo J.

IEC 60584-1 - TIPO E: NÍQUEL - CROMO / COBRE - NÍQUEL

También conocido como Cromo-Constantán (IEC 60584.1 parte 6) es utilizado debido a la gran amplitud de su señal de salida, la más alta de los termopares utilizados habitualmente, aunque hoy en día la electrónica asociada a la instrumentación de medida nos permite una elevada sensibilidad para medidas de f.e.m. bajas. El rango de temperatura se extiende desde los -250ºC (criogénica) a 900ºC en atmósferas oxidantes o inertes. Se reconoce que es más estable que el tipo K y por lo tanto es más conveniente para medidas de precisión. Aunque el tipo N sigue dando mejor resultado debido a su estabilidad y su rango.

IEC 60584-1 - TIPO B: PLATINO - 30% RODIO / PLATINO - 6% RODIO

El tipo B es bastante reciente, aproximadamente 1950, y se describe según IEC 60584.1 parte 7. Se puede utilizar de forma continua hasta los 1600ºC y de forma intermitente hasta los 1800ºC. En líneas generales su comportamiento es parecido a los termopares tipo S y R, aunque la amplitud de salida es menor y por lo tanto no se suele utilizar por debajo de los 600ºC. Una ventaja práctica e interesante es que debido a que la f.e.m. generada es insignificante en el rango de 0ºC a 50ºC no se suele requerir una compensación de la unión fría.

IEC 60584-1 - TIPO N: NÍQUEL - CROMO - SILICIO / NÍQUEL - SILICIO



Etiquetado como el revolucionario sustituto del termopar tipo K (el más común para uso industrial), pero solventando sus desventajas. El tipo N (Nicrosil-Nisil) muestra una mayor resistencia a la deriva relacionada con la oxidación a temperaturas altas y a otras inestabilidades propias del tipo K en particular, pero también, hasta cierto punto, en relación con los otros termopares de metal común (ver capítulo 1, sección 2.4). Por lo tanto puede alcanzar temperaturas más altas que el tipo K (1280ºC y mayores para periodos cortos de tiempo). Está definido según IEC 60584.1 parte 8.

Básicamente, la resistencia a la oxidación es superior debido a la aleación de un nivel de porcentaje más alto de cromo y silicio en el conductor positivo Nicrosil. De forma similar, un nivel más alto de silicio y magnesio en el conductor negativo Nisil forma una barrera de difusión protectora. Muestra una mejora en la repetibilidad dentro del rango comprendido entre 300ºC y 500ºC donde se acentúa la inestabilidad del tipo K (debido a la histéresis inducida por la no-homogeneidad magnética y/o estructural). Los altos niveles de cromo en el conductor positivo y de silicio en el conductor negativo ofrecen una mejor estabilidad magnética. Por otro lado, la ausencia de manganeso, aluminio y cobre en el conductor negativo aumenta la estabilidad del termopar tipo N frente a sus competidores de metal común en aplicaciones nucleares. El efecto del desplazamiento producido en montajes de aislamiento mineral se mejora o desaparece casi por completo, ya que ambos conductores del termopar tipo N contienen un bajo nivel de manganeso y aluminio en su composición.

En 1986 se creó la normativa para este tipo de termopar. Se ha llegado a decir que con esta incorporación relativamente nueva a la termometría por termopares, los demás termopares de metal común se han quedado obsoletos (E, J, K y T). Otra afirmación de los fabricantes y distribuidores más entusiastas es que ofrece muchas de las características de los termopares de metal precioso, pero al precio de metal común. De hecho, hasta una temperatura máxima continua de 1.280ºC, dependiendo de las condiciones de uso, se puede utilizar en lugar de los termopares tipo R y S a un coste entre 10 y 20 veces menor. De hecho, aunque la incorporación de este termopar en el sector industrial ha sido más lenta de lo predecible, se ha incrementado considerablemente su uso debido al desarrollo de materiales tales como el Nicrobell y aleaciones similares para su utilización en vainas de aislamiento mineral.
Ya no existe ninguna duda de que es esencialmente mejor que sus rivales de metal común.

IEC 60584-1 - Type C Tungsten-5% Rhenium vs Tungsten-26% Rhenium

También conocido como W5, los termopares tipo C (y en general todas las combinaciones de aleación Tungesten / Rhenium) ofrecen salidas de f.e.m. razonablemente altas y relativamente lineales para la medida a alta temperatura. Estos tipos de termopares deben usarse en aplicaciones de vacío, atmósferas inertes o hidrógeno seco. Por encima de 1200 ° C, el tungsteno puede volverse quebradizo debido a la recristalización.

IEC 60584-1 - Type A Tungsten-5% Rhenium vs Tungsten-20% Rhenium

Similar to Type C above, Type A thermocouple have a slightly extended temperature range, up to 2500°C.

Termopares no Normalizados

A pesar de que ha habido muchas aleaciones de termopar desarrollados a lo largo de los años, prácticamente no se utilizan ninguna a excepción de aplicaciones muy especiales o debido a razones históricas. Existen, no obstante, cuatro tipos principales de termopares no estándar que siguen teniendo su lugar en la termometría por termopares.

Tungsteno / Renio



Existen tres combinaciones básicas para estos termopares: tipo G (tungsteno / tungsteno-26% renio); tipo C (tungsteno-5% renio / tungsteno-26% renio); y tipo D (tungsteno-3% renio / tungsteno-25% renio). De estos, el primero es claramente el más barato, pero la fragilidad en el conductor de tungsteno puede llegar a ser un problema. El rango de temperatura abarca hasta 2300ºC y para periodos cortos hasta 2750ºC. Aptos para utilizarlos en las siguientes condiciones: vacío, hidrogeno puro o con gases puros inertes. Por encima de 1800ºC pueden aparecer problemas con la evaporación del renio. Para el aislamiento se suelen recomendar óxido de berilio (BeO) y torio (ThO2), aunque una vez más, pueden aparecer problemas en la parte alta del rango de temperatura, causando la reacción entre los conductores y el aislamiento.

IRIDIO - 40% RODIO / IRIDIO

Se destaca por ser el único termopar de metal precioso que se puede utilizar sin vaina de protección hasta 2000ºC (solo durante periodos cortos de tiempo), estos sensores también se pueden utilizar en vacío y atmósfera inerte. No existen tablas normalizadas de referencia, y los usuarios dependen de los fabricantes para calibraciones del lote. Presenta una gran fragilidad tras su utilización a temperaturas altas.

PLATINO - 40% RODIO / PLATINO - 20% RODIO

Es recomendable su utilización en lugar del tipo B cuando se requiere alcanzar temperaturas un poco más altas. Este sensor se puede utilizar de forma continua hasta 1700ºC y en intervalos cortos de tiempo hasta 1850ºC. Se aplican las mismas normas que para el tipo S. No existen tablas de referencia normalizadas, pero normalmente se pueden conseguir calibraciones del lote por parte del fabricante.

NÍQUEL - CROMO / ORO - 0.07% HIERRO

Desarrollado especialmente para bajas temperaturas (criogenia), este termopar es capaz de medir por debajo de 1K aunque responde mejor a partir de 4K. La ASTM ha publicado las tablas de referencia, pero en Europa la aleación del conductor negativo es distinta, suele estar compuesta por oro y un 0.03% de hierro.

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