Aislamiento de termopares

Contenido

1. Materiales aislantes estándar
2. Aisladores cerámicos
3. Termopares con aislamiento mineral (MIMS)
4. Materiales avanzados de vaina y minimización de la deriva
5. Resumen

Aunque los termopares pueden, en algunos casos, funcionar sin aislamiento, la mayoría de las aplicaciones reales requieren protegerlos del medio y el entorno en que se emplean. Esta protección normalmente implica tanto aislamiento eléctrico como una vaina mecánica. Las vainas protectoras no solo aíslan eléctricamente el termopar, sino que también lo protegen frente a daños mecánicos, corrosión química y estrés térmico.

Como pauta general, las uniones de termopar expuestas deben reservarse para la medición de temperaturas de gases no corrosivos, estáticos o en flujo, específicamente donde sea esencial una respuesta térmica rápida. En entornos más exigentes, como los que implican gases o líquidos corrosivos, es más apropiada una unión aislada. Aunque esto puede reducir la velocidad de respuesta, mejora significativamente la durabilidad y la seguridad. Para una mayor resistencia y rapidez de respuesta bajo presión o en ambientes corrosivos, suelen preferirse las uniones de termopar conectadas a tierra (puesta a tierra), en las que los hilos están soldados a la punta de la vaina.

Materiales aislantes estándar

Se utiliza una amplia gama de materiales aislantes estándar en la construcción de termopares. A menudo están codificados por colores según el tipo de termopar, conforme a las directrices de la IEC 60584-3. Aunque no existe una norma internacional unificada para los materiales de aislamiento, la práctica de ingeniería ha llevado a la adopción de seis materiales básicos:

• PVC: Adecuado de -30°C a +105°C y disponible en varias configuraciones.
• PFA: Amplía el rango desde -273°C hasta +250°C (o 300°C por periodos cortos), lo que lo hace ideal para entornos extremos.
• Fibra de vidrio impregnada con barniz: Operativa de -50°C a +400°C.
• Fibra de vidrio sin barniz: Amplía ese rango hasta 500°C, y en algunos casos hasta 800°C.

Todos los tipos estándar de termopar pueden utilizarse con estos materiales, lo que los hace muy versátiles.

Aisladores cerámicos

Para aplicaciones industriales de mayor temperatura, se emplean ampliamente aisladores cerámicos. Las opciones varían según el tipo de termopar y el rango de temperatura:

• Cuentas de porcelana de doble orificio: A menudo se usan para termopares de metales base con hilos de 1 mm o más.
• Mullita (silicato de aluminio): Comúnmente se combina con termopares Tipo K, especialmente en ambientes de hornos.
• Alúmina de alta pureza: Preferida para termopares basados en platino para minimizar los riesgos de contaminación.

Termopares con aislamiento mineral (MIMS)

La forma de termopar más adoptada en la industria moderna es la construcción con aislamiento mineral y vaina metálica (MI o MIMS). Estos sensores consisten en hilos de termopar embebidos en un polvo mineral compactado, típicamente óxido de magnesio, alojados dentro de una vaina metálica sin costura. Esta estructura proporciona:

• Excelente resistencia mecánica
• Protección herméticamente sellada
• Alta resistencia de aislamiento
• Factor de forma pequeño y flexible
• Resistencia a la vibración, alta presión y entornos agresivos

Los termopares MIMS operan en un rango de temperatura amplio de -200°C a +1250°C y están disponibles con 2 a 6 conductores, en diámetros de 0.25 mm a 10.8 mm.

También admiten una amplia variedad de tipos de termopar y materiales de vaina, incluidos acero inoxidable, acero al carbono, Inconel y aleaciones Nicrotherm. Las uniones de medición pueden ser:

• Expuesta: Ofrece la respuesta más rápida
• Aislada: Aislada eléctricamente para evitar bucles de tierra
• Conectada a tierra: Soldada a la punta de la vaina para una respuesta rápida y durabilidad mecánica

Los termopares MIMS no solo están ampliamente disponibles y son rentables, sino que pueden personalizarse para entornos específicos usando diferentes opciones de vaina y terminación. Son especialmente adecuados para condiciones industriales extremas.

Materiales avanzados de vaina y minimización de la deriva

A pesar de sus ventajas, los termopares MIMS pueden presentar desafíos:

• Diferentes coeficientes de dilatación térmica entre los materiales de la vaina (como el acero inoxidable) y los hilos del termopar (como Tipos K y N) pueden provocar fallos por fatiga.
• Difusión por vapor del material de la vaina hacia los hilos del termopar puede provocar contaminación, deriva de calibración y degradación del rendimiento.
• Entrada de agua durante la fabricación o reparación puede causar una reducción de la resistencia de aislamiento y fallos prematuros.

Para abordar estos desafíos, se han desarrollado aleaciones de vaina especializadas:

• Nicrotherm: Una aleación de vaina para altas temperaturas y baja deriva, optimizada para su uso con termopares de tipo N.
• Nicrobell B: Una aleación de Nicrosil modificada con magnesio y niobio añadidos para mejorar la resistencia a la oxidación, térmica y a la corrosión hasta 1250°C.
• Nicrobell C: Mejora Nicrobell B con mayor contenido de cromo para una resistencia superior a la corrosión.
• Nicrotherm D™: El desarrollo más reciente, diseñado con menos manganeso y aluminio para minimizar la difusión de los elementos a través del aislamiento. Ofrece una excelente resistencia a entornos carburizantes y proporciona una deriva significativamente menor que Inconel 600 o acero inoxidable 310 a altas temperaturas.

Para aplicaciones de muy alta temperatura o corrosivas, generalmente se recomienda evitar cables MIMS de diámetro muy pequeño, ya que la supervivencia y el rendimiento están estrechamente correlacionados con el tamaño del cable.

Resumen

El aislamiento del termopar desempeña un papel fundamental para garantizar la exactitud de la medida, la protección mecánica y la resistencia ambiental. Desde recubrimientos básicos de PVC y fibra de vidrio para temperaturas bajas a medias, hasta construcciones de alto rendimiento con aislamiento cerámico y mineral para condiciones extremas, la elección del aislamiento y de los materiales de vaina debe adecuarse al rango de temperatura, el medio y las exigencias mecánicas de la aplicación. Aleaciones avanzadas de vaina como Nicrotherm D™ ahora ofrecen una estabilidad y resistencia superiores a largo plazo en entornos de alta temperatura o corrosivos, garantizando un rendimiento fiable incluso en las condiciones más exigentes.

Lecturas adicionales

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