Instrumento de termopar
Definición
Un instrumento termopar se define como un dispositivo de medida que utiliza un termopar para determinar la temperatura, corriente y voltaje. Este instrumento versátil es capaz de realizar mediciones tanto en circuitos de corriente alterna (CA) como de corriente directa (CD), lo que lo convierte en una herramienta valiosa en una amplia gama de aplicaciones.
Conceptos básicos del termopar
Un termopar es un dispositivo eléctrico compuesto por dos cables hechos de metales diferentes. Su funcionalidad se basa en un principio fundamental: en el punto de unión donde estos dos metales disímiles se encuentran, la energía térmica se convierte en energía eléctrica. Este fenómeno, conocido como efecto Seebeck, forma la base para el funcionamiento de los instrumentos termopar, permitiéndoles medir con precisión la temperatura y otros parámetros eléctricos al aprovechar el potencial eléctrico generado en las uniones metálicas.
Mecanismo de funcionamiento
Para medir la magnitud de una corriente eléctrica, la corriente a medir pasa a través de la unión del termopar. A medida que fluye la corriente, genera calor dentro del elemento calentador. En respuesta, el termopar induce una fuerza electromotriz (fem) en sus terminales de salida. Esta fem inducida se mide utilizando un instrumento de bobina móvil con imán permanente (PMMC). La magnitud de esta fem es directamente proporcional tanto a la temperatura en la unión del termopar como al valor eficaz (RMS) de la corriente medida.
Ventajas principales
Una de las ventajas más notables de los instrumentos termopar es su idoneidad para la medición de corrientes y voltajes de alta frecuencia. Estos instrumentos muestran una mayor precisión cuando se tratan con frecuencias superiores a 50 Hz, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se necesiten determinar con precisión parámetros eléctricos de alta frecuencia.
Principio de funcionamiento de los instrumentos termoeléctricos
La generación de fem térmica ocurre en un circuito compuesto por dos metales diferentes. La temperatura en la unión donde se encuentran estos metales juega un papel crucial en el funcionamiento general y es un parámetro clave para entender cómo funciona el instrumento.
Sean a y b constantes cuyos valores se determinan por las propiedades de los metales utilizados en el termopar. Típicamente, el valor de a oscila entre 40 y 50 microvoltios, mientras que b tiene un valor en el rango de unas pocas décimas a cientos de microvoltios por grado Celsius al cuadrado μV/C°2.
Denotemos Δθ como la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría del termopar. Basándonos en esto, se pueden derivar las expresiones relevantes relacionadas con la temperatura de la siguiente manera.
El calentador genera calor, y la cantidad de calor producido es directamente proporcional al producto del cuadrado del valor eficaz (RMS) de la corriente (I) y la resistencia (R) del elemento calentador, expresado por la fórmula I2R. En consecuencia, el aumento de temperatura también es proporcional al calor generado por el elemento calentador. Esta relación es fundamental para entender cómo opera el calentador e influye en la temperatura dentro del sistema, estableciendo una conexión clara entre la entrada eléctrica y la salida térmica.
El instrumento termopar tiene dos uniones, fría y caliente. La diferencia entre estas dos uniones se expresa como
El valor de b es muy pequeño en comparación con a y, por lo tanto, se ignora. La temperatura en la unión se expresa como
La desviación de un instrumento de bobina móvil con imán permanente (PMMC) es directamente proporcional a la fuerza electromotriz (fem) inducida en sus terminales. Esta relación significa que, a medida que la fem inducida aumenta o disminuye, la desviación de la bobina móvil del instrumento cambia de manera correspondiente. Matemáticamente, la desviación de la bobina móvil dentro de tales instrumentos puede expresarse mediante la siguiente ecuación, que encapsula los principios físicos que rigen la respuesta del instrumento a la entrada eléctrica.
Aquí, la expresión K3 - aK1K2R resulta en un valor constante. Esta característica da lugar a que el instrumento presente una respuesta de ley cuadrática, lo que significa que la salida del instrumento varía como el cuadrado de la cantidad de entrada (como la corriente o el voltaje).
Construcción del instrumento termoeléctrico
Un instrumento termoeléctrico se compone principalmente de dos componentes esenciales: el elemento termoeléctrico y el instrumento indicador. Estas dos partes trabajan en conjunto para permitir la medición precisa de cantidades eléctricas y térmicas.
Elementos termoeléctricos
Se emplean cuatro tipos distintos de elementos termoeléctricos comúnmente en instrumentos termopar. Cada tipo tiene sus propias características y principios operativos únicos, que se detallan a continuación.
Tipo de contacto
El elemento termoeléctrico de tipo de contacto utiliza un calentador separado. Como se ilustra en la figura a continuación, la unión del termopar se pone en contacto físico directo con el calentador. Este contacto directo facilita la transferencia eficiente de calor desde el calentador hasta la unión del termopar, lo cual es crucial para convertir con precisión la energía térmica generada por el calentador en una señal eléctrica (fuerza electromotriz o fem) que pueda ser medida por el instrumento indicador.
Funciones del elemento calentador eléctrico
El elemento calentador eléctrico cumple los siguientes propósitos críticos dentro de un instrumento termoeléctrico:
Conversión de energía: Actúa como un componente clave en la transformación de la energía eléctrica en energía térmica. Esta conversión es el primer paso en el proceso que permite la medición de cantidades eléctricas utilizando efectos térmicos.
Conversión termoeléctrica: Aprovechando el efecto Seebeck, la energía térmica generada por el elemento calentador se convierte en energía eléctrica. Esta conversión ocurre en la unión del termopar, donde la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría crea una fuerza electromotriz (fem).
Funcionamiento del instrumento: Los terminales de salida del termopar están conectados a un instrumento de bobina móvil con imán permanente (PMMC). Una pequeña cantidad de la energía eléctrica producida se utiliza para desviar el puntero del instrumento PMMC. Esta energía se almacena en el resorte del instrumento, lo que ayuda a mantener la posición del puntero e indicar el valor medido.
Tipos de elementos termoeléctricos
Instrumento de tipo sin contacto
En los instrumentos termoeléctricos de tipo sin contacto, no hay conexión eléctrica directa entre el elemento calentador y el termopar. En su lugar, los dos componentes están separados por una capa de aislamiento eléctrico. Mientras que este aislamiento proporciona aislamiento eléctrico, también tiene un impacto notable en el rendimiento del instrumento. En comparación con los instrumentos de tipo de contacto, el diseño sin contacto hace que el sistema sea menos sensible a los cambios en la cantidad medida y resulta en tiempos de respuesta más lentos. Esto se debe a que la transferencia de calor desde el elemento calentador hasta el termopar es menos eficiente debido a la presencia de la barrera de aislamiento.
Termoelemento de vacío
En los instrumentos termoeléctricos basados en tubos de vacío, tanto el calentador como el termopar están encerrados dentro de un tubo de vidrio evacuado. Este entorno de vacío mejora significativamente la eficiencia del instrumento. Al eliminar la presencia de aire, se minimiza la pérdida de calor por convección y conducción. Como resultado, el calentador puede retener su calor durante un período más largo, asegurando una fuente de calor más estable y consistente para el termopar. Esta estabilidad en la generación de calor lleva a mediciones más precisas y confiables a lo largo del tiempo.
Tipo puente
En los instrumentos termoeléctricos de tipo puente, la corriente eléctrica fluye directamente a través del termopar. A medida que la corriente pasa, provoca un aumento en la temperatura del termopar. La magnitud de este aumento de temperatura es directamente proporcional al valor eficaz (RMS) de la corriente. Esta relación directa entre la corriente, el cambio de temperatura y la salida eléctrica resultante del termopar forma la base de cómo estos instrumentos miden con precisión las cantidades eléctricas, proporcionando un método confiable y eficiente para diversas aplicaciones de medición.
Ventajas de los instrumentos termoeléctricos
Los instrumentos termoeléctricos ofrecen varios beneficios notables, lo que los convierte en herramientas valiosas en la medición y análisis eléctricos:
Indicación directa de RMS: Una de las principales ventajas es la capacidad de mostrar directamente los valores de media cuadrática (RMS) de voltaje y corriente en la forma de onda. Esta característica simplifica el proceso de medición, permitiendo a los usuarios determinar rápidamente y con precisión estos parámetros eléctricos cruciales sin la necesidad de cálculos adicionales o métodos de conversión complejos.
Inmunidad a campos magnéticos vagabundos: Estos instrumentos son inherentemente resistentes a la influencia de campos magnéticos vagabundos. Esta inmunidad asegura mediciones más precisas y confiables, ya que las perturbaciones magnéticas externas no interfieren con el funcionamiento del instrumento ni distorsionan los resultados. En entornos donde la interferencia magnética es común, como cerca de maquinaria eléctrica o líneas de alimentación, esta ventaja se vuelve particularmente significativa.
Amplio rango de medición de corriente: Los elementos termoeléctricos empleados en estos instrumentos permiten un amplio rango de medición de corriente. Ya sea en aplicaciones de baja corriente o alta corriente, los instrumentos termoeléctricos pueden capturar y mostrar con precisión los valores relevantes, lo que los hace versátiles para diversos sistemas y configuraciones experimentales eléctricos.
Alta sensibilidad: Los instrumentos termoeléctricos presentan un alto grado de sensibilidad, lo que les permite detectar incluso pequeños cambios en las cantidades eléctricas. Esta sensibilidad es crucial para mediciones precisas en aplicaciones donde las variaciones minúsculas en voltaje o corriente pueden tener implicaciones significativas, como en laboratorios de investigación o en la calibración de otros dispositivos eléctricos.
Utilidad de calibración de potenciómetros: Son extremadamente útiles para calibrar potenciómetros. Al aprovechar la precisión de una celda estándar, los instrumentos termoeléctricos pueden ayudar a garantizar el correcto funcionamiento y precisión de los potenciómetros, que son componentes esenciales en muchos circuitos eléctricos para la regulación y medición de voltaje.
Operación independiente de la frecuencia: Los elementos termoeléctricos están libres de errores de frecuencia, lo que permite que estos instrumentos se utilicen en un amplio rango de frecuencias. Esta característica los hace adecuados para aplicaciones que involucran señales de corriente alterna (CA) de frecuencias variables, desde sistemas de potencia de baja frecuencia hasta circuitos electrónicos de alta frecuencia.
Desventajas de los instrumentos termoeléctricos
A pesar de sus muchas fortalezas, los instrumentos termoeléctricos tienen una limitación notable:
Capacidad de sobrecarga limitada: En comparación con otros tipos de elementos de medición eléctrica, los instrumentos termoeléctricos tienen una capacidad de sobrecarga relativamente baja. Esto significa que son más vulnerables a daños o lecturas inexactas cuando se exponen a corrientes o voltajes eléctricos que superan sus límites nominales. Como resultado, se deben tomar en consideración cuidadosa y medidas de protección adecuadas al utilizar estos instrumentos en aplicaciones donde puedan ocurrir condiciones de sobrecarga para evitar posibles fallos del instrumento o una precisión de medición comprometida.
