Una de las formas más sencillas de medir y registrar la temperatura es con un termopar. Los termopares funcionan de forma fiable en la mayoría de los entornos, ya que toleran temperaturas extremas, vibraciones e incluso radiación ionizante.
This White Paper from Omega Engineering discusses the problems with using thermocouples in electromagnetic environments and makes recommendations for alternative types of temperature instrumentation. Individual sections address:
- Teoría y aplicación de los termopares
- Vulnerabilidades electromagnéticas
- Tensión inducida
- Calentamiento por inducción
- Problemas de tensión en modo común
- Dispositivos alternativos de medición de temperatura
Teoría y aplicación de los termopares
Sondas de termopar con conectores Los termopares aprovechan el efecto Seebeck, descubierto por Thomas Johann Seebeck en 1821. Se trata del fenómeno por el cual la corriente eléctrica fluye en un circuito formado por metales diferentes, cuando sus dos uniones se encuentran a temperaturas distintas.
Los metales utilizados en un Termopar deben tener propiedades termoeléctricas. Esto ocurre cuando los electrones son capaces de difundirse a través del material. A temperaturas más altas, los electrones ganan energía cinética, se vuelven más móviles y aumentan su grado de movimiento, lo que provoca cambios en el potencial eléctrico. Muchas aleaciones a base de níquel tienen estas características y se utilizan en la mayoría de los cables de termopares comunes. Por ejemplo, el termopar tipo K utiliza uniones de cromel y alumel, ambos con una proporción significativa de níquel. Otras combinaciones de materiales utilizadas en los termopares se basan en platino-rodio y tungsteno-renio, que también poseen propiedades termoeléctricas.
La corriente y el voltaje producidos son proporcionales a la diferencia de temperatura entre las dos uniones, aunque la relación no es exactamente lineal. Los voltajes reales son muy pequeños. En un termopar tipo K (muy utilizado debido a su amplio rango de temperatura y su bajo coste), el cambio es de 41 mV por grado Celsius. Otros tipos de termopares producen cambios de magnitud similar. Por consiguiente, las señales de los termopares deben amplificarse para su uso en sistemas de medición. Inevitablemente, cualquier voltaje adicional en las señales debido a causas externas se amplifica al mismo tiempo.
Vulnerabilidades electromagnéticas
Los altos voltajes son comunes en muchas situaciones en las que se necesitan mediciones de temperatura, y los campos electromagnéticos son inevitables. El calentamiento por inducción se utiliza en toda la industria y es necesario medir la temperatura para garantizar la uniformidad de los procesos. Las líneas eléctricas transportan altos voltajes. Los transformadores soportan cargas elevadas y pueden calentarse mucho. Incluso las bujías utilizadas en los motores de combustión interna (no solo en los motores de automóviles, sino también en los grandes grupos electrógenos) generan señales electromagnéticas transitorias.
Los campos electromagnéticos afectan a las lecturas de los termopares de dos maneras, pueden:
- Inducir tensión en los cables de termopar
- Provocar el calentamiento inductivo del termopar
Además, la tensión de modo común relativa a la conexión a tierra añadirá tensión a la señal del termopar. Estos problemas pueden producirse en entornos de corriente continua, pero son más graves en presencia de corriente alterna.
Calentamiento por inducción
Someter un conductor a un campo electromagnético alterno crea remolinos que dan lugar a calentamiento. Por lo tanto, dado que el níquel es eléctricamente conductivo, un campo magnético alterno que pueda encontrarse alrededor de un motor o generador grande calentará el propio dispositivo de medición de temperatura. Esto dará lugar a una señal que no refleja con precisión la temperatura que se está midiendo.
Induction Heating
Cuando se utiliza un termopar junto con un equipo eléctrico o como parte de él, a menudo se conecta a esa fuente de alimentación.
Problemas de tensión de modo común
Cuando se utiliza un termopar junto con un equipo eléctrico o como parte de él, a menudo se conecta a esa fuente de alimentación. Una vez energizado eléctricamente, es posible que una diferencia entre la conexión a tierra y la conexión a tierra del equipo afecte al voltaje de la señal del termopar. La solución en estos casos es proporcionar aislamiento galvánico al sistema de medición de temperatura o, alternativamente, buscar otros métodos de medición de temperatura.
Dispositivos alternativos de medición de temperatura
Sensor/transmisor de temperatura por infrarrojos 
Sensor/transmisor de temperatura por infrarrojos Dos tecnologías que vale la pena explorar son los dispositivos de temperatura por resistencia (RTD) de tipo Pt100 y la detección de emisiones infrarrojas (IR).
Los RTD (cuyo principio de medición se basa en el cambio de resistencia de un trozo de alambre de platino) son conocidos por su alta precisión y su buena inmunidad a los campos electromagnéticos. Sin embargo, tienden a ser frágiles y no siempre son adecuados para entornos industriales.
La medición de la emisión IR tiene la ventaja de ser sin contacto y puede realizarse a distancias de varios metros o más, dependiendo del tamaño del emisor. Aprovecha la ley de Planck, que describe cómo un cuerpo irradia energía en proporción a su temperatura. Un reto que hay que abordar es que diferentes superficies a la misma temperatura irradian a diferentes velocidades. Descrito como una diferencia en la emisividad, esto debe tenerse en cuenta al medir la temperatura con cualquier tipo de detector de infrarrojos.
Omega Engineering ofrece varios sensores/transmisores de temperatura por infrarrojos adecuados para su uso en una amplia gama de situaciones industriales. El OS137A viene en una carcasa de acero inoxidable de 1" de diámetro con clasificación NEMA 4 y se puede utilizar a distancias de hasta 48" (Nota: el objetivo de medición debe llenar el Campo de visión del sensor. Si no es así, la temperatura medida no será precisa).
El OS137A está disponible en tres rangos de temperatura que cubren temperaturas de hasta 538 °C (1000 °F). Se puede montar un accesorio de mira láser en la parte delantera durante la configuración para garantizar una alineación precisa con el objetivo. El tipo de salida debe especificarse al realizar el pedido: elija entre salidas de tensión, corriente o termopar tipo K. Existe la posibilidad de establecer un punto de alarma y la emisividad es ajustable.
Con un diámetro de 3⁄4", el OS136 es un sensor/transmisor infrarrojo más compacto. Su rendimiento es similar al del OS137A, aunque el ángulo de visión es más amplio (lo que puede requerir una colocación más cercana). A diferencia del OS137A, la emisividad está fijada en 0,95, por lo que se deben realizar correcciones para objetivos que sean diferentes.
Conclusiones
Los termopares miden la temperatura en microvoltios por grado Celsius. Estas señales necesitan amplificación para ser útiles, lo que las hace susceptibles a errores de medición cuando se utilizan en entornos electromagnéticos. Se pueden inducir voltajes en los cables de termopar, el calentamiento por inducción puede elevar la temperatura del termopar y los problemas de conexión a tierra pueden aumentar el voltaje medido.
Aunque se pueden utilizar diversos filtros y métodos de blindaje, otro enfoque consiste en cambiar la tecnología de medición. Tanto los RTD como la detección de emisión IR tienen una buena tolerancia a los campos electromagnéticos, aunque los RTD suelen considerarse demasiado frágiles para entornos industriales. Los sensores/transmisores IR proporcionan mediciones sin contacto con una amplia gama de opciones de salida y están disponibles en carcasas protectoras robustas.
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