Circuitos Eléctricos UNS – Ingeniería Mecánica – VII Ciclo

ELEMENTOS DE CONTROL EN CIRCUITOS ELÉCTRICOS

D. TERMOCUPLAS, TERMOSTATOS, TERMISTORES

Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos entre los cuales figuran:

Variación de resistencia en un conductor (sondas resistivas). Variación de resistencia de un semiconductor (termistores). FEM creada en la unión de dos metales distintos (termocuplas).

D.1 Termocupla

D.1.1 Definición

-Una termocupla o termopar es un transductor de temperatura, es decir, un dispositivo que traduce una magnitud física en una señal eléctrica. Está compuesta por dos alambres de metales diferentes, los que unidos convenientemente generan, entre sus extremos libres, una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura entre ellos.

-Estos sensores de temperatura eléctricos son los más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los mili volts el cual aumenta con la temperatura.

D.1.2 Principio

Su funcionamiento, se basa en un descubrimiento hecho por Seebeck en 1821: “Si se sueldan dos metales diferentes, cuyos extremos están a distintas temperaturas, aparece una FEM (llamada

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FEM Seebeck)” Posteriormente, se mostró que esta FEM proviene en realidad de dos efectos diferentes:

Primero, resultante solo del contacto entre dos metales y la temperatura de dicha unión. Este es el llamado “Efecto Peltier” es debido a la difusión de electrones desde el conductor con mayor densidad electrónica al de menor densidad.

Segundo, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores en el circuito. Este es el llamado “Efecto Thompson” es debido al flujo de calor entre los extremos de los conductores, que es transportado por los electrones, induciendo entonces FEM entre los extremos de los mismos.

-Resumiendo, una termocupla se compone de dos hilos de diferentes metales unidos en sus extremos. Una, es la junta caliente o de medición y la otra la de referencia o junta fría. Thomas Seebeck describió el fenómeno que consiste en la circulación de una corriente en dicho circuito.

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-El fenómeno descripto por Seebeck ocurre por la combinación de dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier y el efecto Thomson.

-La corriente que circula en el circuito de la figura es la que generan las FEM de los efectos Peltier y Thomson es decir la tensión de Seebeck.

Expresión de la tensión de Seebeck

Donde:

ESBCK : Tensión de Seebeck. EPLTABT2 : Tensión de Peltier en la unión de los metales A, B a la temperatura

T2. (Medición). EPLTBAT1 : Tensión de Peltier en la unión de los metales B, A a la temperatura

T1. EThA : Tensión Thomson en el conductor A.

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EThB : Tensión Thomson en el conductor B.

Las tensiones de Thomson dependen de las temperaturas T2 (medición) y T1 (referencia). Los signos dependerán del sentido en que se circula en la red. En la figura los dos primeros términos serán de sentidos opuestos y lo mismo sucede con los dos segundos términos entre sí.

D.1.3 Elementos primarios

La “junta de medición” o “Junta Caliente” es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir.

La “junta de referencia” o “junta fría” es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medición.

D.1.4 Tipos

Estos tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA) y son:

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Tipo K (Cromel (aleación de Ni-Cr) / Alumel (aleación de Ni -Al)): Con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.

Tipo E (Cromel / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.

Tipo J (Hierro / Constantán): Su rango de utilización es de -270/+1200°C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800°C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550°C y por debajo de 0°C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T (Cobre / Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.

Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300° C).

Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800°C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0°C y 42°C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50°C.

Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300°C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

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Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300°C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43° C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Tipos de termocuplas

D.1.5 Procedimiento aproximado de medición

1- Medimos con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.

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2- Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura corresponde el voltaje.

3- Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la temperatura de ambiente (temperatura del contacto de las puntas del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la compensación de cero.

Por ejemplo:

Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.En la tabla de termocupla J se encuentra que para 10.84 mV, lo mas aproximado es 10.832 mV que corresponden a 201 °C.Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C aprox., entonces la temperatura medida es 226°C (25°C + 201°C)

La diferencia obtenida con los mismos valores para ambos procedimientos es mucho mayor en el caso de termocuplas B, S y R

Curvas características de los termopares según su tipo.

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D.2 Termostato

D.2.1 Definición

-Un termostato es el componente de un sistema de control que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura.

-Los termostatos son dispositivos que controlan la temperatura en un determinado punto accionando un control eléctrico, es decir, a veces conmutará para realizar un determinado control sobre un elemento de accionamiento eléctrico.

D.2.2 Principio

Todos los termostatos tienen en su construcción un elemento sensor de la temperatura que cambia alguna magnitud con el cambio de esta, este cambio se utiliza para operar un interruptor eléctrico que apaga o enciende el elemento enfriador o para abrir o cerrar una compuerta por donde entra el calor al área en cuestión.

Su versión más simple consiste en una lámina metálica como la que utilizan los equipos de aire acondicionado para apagar o encender el compresor.

El esquema de bloque de un termostato eléctrico

D.2.3 Clasificación8

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De acuerdo a la forma en que funcionan, los termostatos pueden ser electromecánicos o electrónicos, siendo los primeros por su simplicidad, bajo costo y porque no requieren fuente adicional de energía, los más utilizados.

Los termostatos electromecánicos pueden ser:

-Con bulbo lleno de gas o líquido volátil.-Con lámina Bi-metálica.

Los electrónicos pueden ser:

-A base de termo-resistencia.-A base de termopar.

Termostatos de bulbo

Estos termostatos usan como sensor de temperatura un bulbo lleno de un gas o de un líquido volátil que se conecta a través de un estrecho conducto a una cámara cerrada flexible en forma de disco volador. Cuando se calienta el gas o el líquido dentro del bulbo sensor, la presión de vapor crece y hace que la cámara flexible se dilate (como lo hace un globo al inflarlo) este movimiento de crecimiento de la cámara flexible empuja un vástago que acciona un interruptor eléctrico que conecta o desconecta el elemento generador de calor (o frío) y vise versa manteniendo de esta forma la temperatura estable en la zona donde está el bulbo sensor.

Termostatos de lámina Bimetálica

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Este tipo de termostato utiliza la capacidad de doblado de las láminas bimetálicas para su funcionamiento, son muy comunes dada su simplicidad, estabilidad y bajo costo.

Pueden ser de dos tipos, en uno, la propia lámina bi metálica es parte del interruptor de la electricidad y tiene adosado en un extremo uno de los contactos, el doblado con la temperatura, de la propia lámina abre o cierra el circuito. Es muy común su uso en las planchas de planchar ropa, hornos domésticos y estufas eléctricas. La temperatura puede regularse debido a que el propio termostato está dentro del volumen a controlar o bien porque el paso de la corriente calienta la lámina bi metálica.

En el otro tipo se construye una larga lámina bimetálica que se enrolla en forma de espiral, un extremo del espiral es fijo y en el otro se monta un pequeño bulbo de vidrio alargado con los contactos eléctricos interiormente en uno de sus extremos, este bulbo se llena parcialmente de Mercurio metálico que es un buen conductor de la electricidad de manera que si el bulbo se inclina a un lado el mercurio (que es líquido) se acumula en el lado más bajo y puede cerrar el circuito (si es el lado de los contactos) o abrirlo (si es el lado contrario). Los cambios de temperatura harán que el espiral (debido al doblado de la lámina) se enrolle o desenrolle inclinado como una balanza al bulbo para abrir o cerrar los contactos y así mantener la temperatura estable.

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D.3 Termistor

D.3.1 Definición

-El término “termistor” proviene del inglés thermally sensitive resistor, es decir, resistencia sensible térmicamente. Es un sensor resistivo de temperatura de tipo resistivo. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura.

-El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura.Se trata de un dispositivo semiconductor de dos terminales, relativamente sencillo, compuesto de óxidos metálicos como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro o titanio.

D.3.2 Clasificación

Se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de temperatura de la resistencia:

•NTC Presentan un coeficiente de temperatura negativo•PTC Con un coeficiente de temperatura positivo.

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Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

PTC: Termistores con coeficiente de temperatura positivo. Son resistencias constituidas por elementos semiconductores de titanio de bario, se caracterizan por modificar su estructura cristalina a una cierta temperatura, en torno a los 100 ºC, correspondiéndole un cambio brusco en su resistencia, pasando de valores de centenares de ohmios a decenas de mega ohmios.

NTC: Termistores con coeficiente de temperatura negativo altamente sensibles a cambios de temperatura. Dentro de este grupo se encuentra la mayoría de termistores. Están fabricados con mezclas poli cristalinas de óxido de manganeso y níquel. Los cambios en la resistencia de los NTC, pueden ser debidos bien externamente a cambios en la temperatura ambiente o bien internamente como consecuencia de un auto calentamiento producido por el flujo de corriente en el dispositivo.

Curvas Características

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D.3.3 Tipos

D.3.4 Modelo Matemático

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D.3.5 Aplicaciones

Aplicaciones en las que la corriente que circula por ellos, no es capaz de producirles aumentos apreciables de temperatura y por tanto la resistencia del termistor depende únicamente de la temperatura del medio ambiente en que se encuentra.

Aplicaciones en las que su resistencia depende de las corrientes que lo atraviesan.

Aplicaciones en las que se aprovecha la inercia térmica, es decir, el tiempo que tarda el termistor en calentarse o enfriarse cuando se le somete a variaciones de tensión.

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REFERENCIAS:

- Physics of Thermoelectricity, de Anatychuk y Lukian. Institute of Thermoelectricity (1998).

-Elementos Primarios de Medición: Sensores Ing. Héctor O. Acosta

-Instrumentación de Procesos Industriales Héctor P. Polenta Tomo II

- Albert Paul Malvino (2000). Principios de Electrónica. Mc Graw Hill.

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