Los termopares, que en comparación con otros sensores de temperatura presentan ventajas clave, como amplios rangos de temperatura, tiempos de respuesta rápidos y una gran versatilidad, se utilizan habitualmente en una amplia variedad de aplicaciones.
Los termopares con aislamiento mineral y revestimiento metálico integral (MIMS) son especialmente comunes debido a su durabilidad, tolerancia a altas temperaturas y precisión. Estos termopares consisten en cables termopares emparejados rodeados de material aislante, normalmente MgO.
Este material aislante se compacta mediante laminación, estirado o estampado hasta reducir el diámetro de la funda.
Los termopares MIMS tienen muchas ventajas, entre ellas:
- Aislamiento químico de los cables de la atmósfera circundante
- Apantallamiento de los termoelementos frente a fuentes de interferencias eléctricas
- Protección de los cables y el aislamiento frente a daños por golpes
- Flexibilidad del montaje final, lo que permite doblarlo
Sin embargo, los termopares MIMS tienen sus limitaciones. En aplicaciones que funcionan a temperaturas extremas, por ejemplo, problemas como la deriva térmica, la pérdida de integridad mecánica o los cambios en las propiedades eléctricas comienzan a ser una consideración importante, especialmente si no se tiene especial cuidado al seleccionar un termopar adecuado para ese entorno. Cuando estos problemas se agravan, el termopar puede fallar. Cambiar los termopares averiados cuesta dinero, ralentiza o reduce la producción y puede provocar una calidad irregular del producto.
Ejemplos de fallos de termopares
Histéresis
La histéresis termoeléctrica es un factor importante que contribuye a la inestabilidad de los sistemas termoeléctricos. Este fenómeno implica una forma de orden y desorden de corto alcance que se manifiesta dentro de un rango de temperatura específico, normalmente entre 200 y 600 °C, especialmente en aleaciones de níquel-cromo (Ni-Cr), como los termopares de tipo K.
La histéresis en este contexto se refiere al desfase entre la respuesta de entrada y salida del material cuando se somete a cambios térmicos. A medida que la temperatura fluctúa dentro de este rango, el material puede mostrar diversos grados de orden y desorden, lo que da lugar a inconsistencias en sus propiedades termoeléctricas. Este comportamiento puede provocar una deriva en la precisión, en la que la temperatura medida se desvía de la temperatura real que se detecta.
Oxidación
Otro fenómeno importante que afecta significativamente a la precisión de los sistemas termoeléctricos es la oxidación. Concretamente, las aleaciones de níquel-cromo-aluminio (Ni-Cr-Al) se enfrentan a retos importantes cuando se exponen al aire a temperaturas elevadas, especialmente por encima de los 500 °C. A estas temperaturas, las aleaciones sufren una degradación oxidativa que no solo acorta su vida útil, sino que también afecta negativamente a sus propiedades térmicas y eléctricas.
Un aspecto digno de mención de la oxidación en estas aleaciones es una forma específica conocida como «podredumbre verde». Este fenómeno se produce cuando el cromo de la aleación se oxida preferentemente en entornos con bajo contenido de oxígeno. En tales condiciones, la menor disponibilidad de oxígeno da lugar a tasas de oxidación desiguales, que afectan principalmente al componente de cromo. Este proceso selectivo puede comprometer la integridad estructural de la aleación, lo que da lugar a una mayor fragilidad y a la pérdida de propiedades esenciales.
Contaminación
La precisión también puede verse afectada de manera significativa por la contaminación, lo que supone un grave problema para los dispositivos termoeléctricos. En el caso de los termopares MIMS, el principio de diseño subyacente se centra en la compresión uniforme del aislamiento de óxido mineral finamente dividido que rodea los cables de termopar y rellena la funda protectora. Esta compresión tiene como objetivo crear un sellado hermético para el volumen interno, minimizando así la posibilidad de contaminación por fuentes externas.
Normalmente, el aislamiento alcanza un nivel de compresión de alrededor del 85 % de su volumen de material sólido mediante diversos procesos de fabricación, como el estampado, el laminado o el estirado. Este alto grado de compresión es beneficioso porque no solo permite doblar el tubo, lo que facilita la instalación en espacios reducidos, sino que también permite la producción de conjuntos de menor diámetro que a menudo se requieren en aplicaciones específicas.
Sin embargo, este diseño también tiene limitaciones inherentes. Si bien el aislamiento comprimido tiene por objeto crear una barrera contra la contaminación, no elimina completamente el riesgo de intrusión de gases. Gases como el vapor de agua o el aire pueden seguir penetrando en el aislamiento con el tiempo, lo que puede provocar oxidación u otras reacciones químicas que comprometan la integridad del material. Además, el proceso de compresión puede permitir la difusión del vapor de los elementos que componen los cables del termopar o el propio material de la funda.
Las investigaciones realizadas por Bentley y Morgan ponen de relieve una preocupación especialmente importante: la difusión en fase de vapor del manganeso (Mn) a través del aislamiento de óxido de magnesio (MgO). Sus estudios indican que esta difusión puede tener un efecto profundo en la estabilidad de la calibración del termopar.
A medida que el manganeso se difunde, altera las propiedades termoeléctricas del termopar, lo que da lugar a imprecisiones en las mediciones de temperatura. Este fenómeno subraya la necesidad crítica de considerar cuidadosamente las propiedades de los materiales y las condiciones ambientales al diseñar termopares.
Fatiga del metal
La fatiga del metal acorta significativamente la vida útil de los termopares. Este problema se debe a los diferentes coeficientes de expansión lineal entre la funda y los cables. Cuando se someten a ciclos de calentamiento y enfriamiento, estos materiales se expanden y contraen a diferentes tasas, lo que crea tensiones internas.
A medida que las temperaturas fluctúan, se acumula tensión mecánica en la interfaz donde la funda se une a los cables, lo que provoca una acumulación de tensión. Con el tiempo, esto puede dar lugar a cambios microestructurales y a la formación de pequeñas grietas. Con el tiempo, estas grietas pueden propagarse y provocar fallos catastróficos debido a la fatiga del metal.
Humedad
El vapor de agua tiene múltiples efectos dentro de la funda. Se absorbe rápidamente en el MgO, lo que reduce la resistencia del aislamiento. La intrusión de humedad puede arruinar un conjunto de termopares MIMS en tan solo unos minutos. En cantidades menores, destruye la capa protectora de óxido de las aleaciones de níquel-cromo, lo que las somete a un deterioro más rápido. Los cambios debidos al vapor de agua pueden ser lo suficientemente graves como para inutilizar los termopares afectados al reducir la resistencia de aislamiento. Esta reducción de la resistencia puede dar lugar a lecturas de temperatura erróneas, fallos prematuros o incluso lecturas erróneas tras un circuito abierto.
El vapor de agua puede introducirse durante la fabricación o reparación de los termopares, o incluso por cambios en la presión atmosférica durante el transporte aéreo o durante largos periodos de almacenamiento (por ejemplo, seis meses) en las obras. Se debe tener cuidado con los sellos herméticos durante el envío y la instalación.
Sonda de termopar Super OMEGACLAD™ XL de Omega
La familia de sondas de termopar Super OMEGACLAD™ XL de Omega representa un cambio radical en la innovación de los cables con aislamiento mineral (MI) y los conjuntos completos de sondas. Estos avanzados sensores de temperatura están diseñados para ofrecer un rendimiento excepcional incluso con diámetros mínimos, lo que los hace muy adecuados para su uso en entornos difíciles. Su diseño incorpora características robustas que les confieren resistencia a la carburación, la oxidación y la cloración, lo que garantiza su fiabilidad en condiciones exigentes.
La familia OMEGACLAD™ XL destaca por ofrecer un rendimiento superior a pesar de su tamaño compacto, un hecho respaldado por rigurosas pruebas. Por lo general, las sondas termopares de tipo K con un diámetro de 0,8 mm (0,032 pulgadas) tienen una temperatura máxima de exposición de 700 °C (1260 °F). Por el contrario, la sonda Super OMEGACLAD™ XL de 0,8 mm de Omega ha sido sometida a exhaustivas pruebas a 815 °C (1500 °F) durante un impresionante periodo de tres años, demostrando un funcionamiento impecable a lo largo de todo este tiempo. Además, la sonda ha soportado una exposición a temperaturas de hasta 1000 °C (1832 °F) durante dos meses sin que se produjera ninguna degradación en su rendimiento.
Esta notable durabilidad no solo prolonga la vida útil de las sondas, sino que también minimiza los requisitos de mantenimiento, lo que las convierte en la opción ideal para aplicaciones que exigen precisión y fiabilidad en entornos térmicos extremos.
Pruebas competitivas: el estudio
En un análisis comparativo controlado, realizamos una serie de pruebas de rendimiento a largo plazo con nuestras sondas Super OMEGACLAD™ XL en comparación con sondas de especificaciones similares de varios de nuestros competidores.
Esta exhaustiva evaluación se centró en la precisión de referencia, la resistencia del aislamiento y la resistencia en condiciones de impacto térmico para evaluar el rendimiento y la fiabilidad.
Lucha contra la deriva de precisión de los termopares
La deriva de precisión es un reto importante para las sondas de termopar industriales. Para abordar este problema, DwyerOmega utiliza un aislamiento de óxido de magnesio en polvo de grano fino y alta pureza, que minimiza la tensión en los cables de aleación del termopar durante el montaje. Además, nuestro proceso de fabricación patentado garantiza que se elimine cualquier humedad dentro de la funda antes del montaje, ya que incluso una pequeña cantidad de humedad puede expandirse y condensarse durante los cambios de temperatura, lo que provoca fallos o imprecisiones. Además, la deriva de precisión puede producirse cuando el metal de la funda se filtra en los cables de aleación internos con el paso del tiempo. Sin embargo, nuestras sondas Super Omegaclad®XL cuentan con una funda de doble pared diseñada para evitar dicha contaminación, lo que garantiza una fiabilidad a largo plazo.
Pruebas de precisión de referencia
La precisión de referencia, en el contexto de un termopar, se refiere a la precisión inherente de la medición de salida de un termopar en comparación con una referencia conocida o estándar. Las pruebas de precisión de referencia de un termopar describen esencialmente en qué medida la lectura de temperatura del dispositivo se corresponde con la temperatura real, sin aplicar compensaciones o correcciones adicionales a la medición. Entre los factores que pueden influir en la precisión de referencia se encuentran el rango de medición del termopar y las condiciones ambientales, como el ruido, las interferencias y los gradientes de temperatura.
Realizamos pruebas de precisión de referencia en las que evaluamos el rendimiento de nuestras sondas termopares en ocho puntos de temperatura distintos, que iban de 100 °C a 1149 °C. Nuestras pruebas de resistencia de aislamiento consistieron en medir la resistencia de aislamiento de referencia de termopares de varios fabricantes en comparación con nuestra propia familia de productos de sondas termopares Super OMEGACLAD™ XL de Omega.
Las pruebas se realizaron a temperatura ambiente utilizando un comprobador de resistencia de aislamiento de 500 V CC, un nivel de tensión estándar que es fundamental para evaluar la integridad del aislamiento en condiciones reales, donde es esencial un rendimiento robusto para garantizar mediciones de temperatura precisas y fiables.
Estas pruebas competitivas nos permitieron evaluar la precisión y fiabilidad de nuestras sondas en un amplio espectro de temperaturas.
Las 10 muestras de OMEGACLAD™ XL cumplieron con las especificaciones, mientras que 2 de los 3 competidores tuvieron muestras defectuosas; uno de ellos, en particular, tuvo 5 muestras defectuosas (¡una tasa de fallo del 50 %!).
Resistencia de aislamiento de referencia
La resistencia de aislamiento de referencia (BIR) es una medida de la integridad del aislamiento eléctrico o de su resistencia al flujo de corriente eléctrica. Básicamente, la BIR es una medición de referencia que se realiza para evaluar la calidad y la eficacia del aislamiento en un sistema o dispositivo eléctrico, como un Termopar.
La BIR puede ayudar a determinar el estado del aislamiento antes de que se someta a cualquier tensión o degradación asociada a la implementación de la aplicación.
Realizamos una prueba exhaustiva de resistencia de aislamiento de referencia en nuestros termopares Super OMEGACLAD™ XL, así como en varias sondas de la competencia, para evaluar la integridad de su aislamiento en condiciones estándar. Las pruebas consistieron en medir la resistencia de aislamiento de cada sonda a temperatura ambiente utilizando una fuente de 500 V CC. Este método se emplea habitualmente para evaluar la resistencia dieléctrica del material aislante y determinar si puede soportar la tensión eléctrica sin fallar. Con esta prueba, nuestro objetivo era comparar la durabilidad y fiabilidad generales de nuestros termopares en entornos reales.
Al completar la serie de pruebas, los resultados fueron claros: nuestras sondas Super OMEGACLAD™ XL no presentaron ningún fallo de aislamiento, lo que demuestra su calidad y rendimiento superiores. Esto es una prueba de los altos estándares de fabricación y los materiales avanzados utilizados en nuestros termopares, que garantizan un aislamiento duradero y fiable incluso en condiciones difíciles. Por el contrario, las dos sondas de la competencia experimentaron fallos de aislamiento, lo que pone de manifiesto las vulnerabilidades de sus diseños. Estos fallos podrían dar lugar a lecturas de temperatura inexactas, riesgos para la seguridad y una reducción de la vida útil de las sondas, lo que convierte a nuestro producto en la opción clara para los clientes que buscan termopares fiables y de alto rendimiento.
Choque térmico
El choque térmico se refiere a la tensión y los posibles daños que se producen en los materiales, incluidos los termopares, cuando experimentan cambios rápidos de temperatura. En el caso de un termopar, el impacto térmico puede provocar una tensión mecánica que puede causar grietas o fallos en los elementos sensores. Cuando un termopar se expone a fluctuaciones repentinas de temperatura, las diferentes tasas de expansión y contracción de sus materiales pueden comprometer su integridad estructural, lo que da lugar a lecturas inexactas o a un mal funcionamiento completo. Este fenómeno es especialmente crítico en entornos con cambios de temperatura extremos o rápidos, lo que requiere una selección cuidadosa de los materiales y diseños para mitigar los riesgos asociados al impacto térmico.
Realizamos una prueba en la que hicimos ciclos de temperatura para cada sonda con un tiempo de calentamiento de 20 segundos de 29 °C a 1090 °C y luego un enfriamiento de 40 segundos de 1090 °C a 29 °C . Tras tres exigentes rondas de 2000 ciclos, las sondas DwyerOmega obtuvieron los mejores resultados en cuanto a precisión, durabilidad y consistencia.
Conclusiones clave
Estos resultados ponen de relieve el papel fundamental que desempeñan la selección de materiales de alta calidad y un diseño meticuloso y orientado a un fin específico en la mejora del rendimiento, la fiabilidad y la durabilidad de los termopares en aplicaciones exigentes y de alta tensión. La elección de los materiales no es solo una cuestión de precisión y capacidad de respuesta, sino que es fundamental para la capacidad del termopar de mantener mediciones consistentes y precisas a lo largo del tiempo, incluso en condiciones extremas y fluctuantes. Los materiales utilizados influyen en factores clave como la conductividad térmica, la resistencia a la corrosión y la estabilidad general, todos ellos esenciales para garantizar la funcionalidad a largo plazo.
Igualmente importante es el diseño y la construcción del termopar, fundamentales para su eficacia operativa. La consideración cuidadosa de factores como la integridad mecánica, las propiedades de aislamiento y el potencial de desgaste o degradación en entornos hostiles puede afectar significativamente a la fiabilidad y precisión generales del dispositivo. Un termopar bien diseñado es capaz de soportar las tensiones de entornos de alta temperatura, corrosivos o de alta presión, lo que garantiza que siga funcionando según lo previsto durante toda su vida útil.
A la hora de seleccionar termopares para aplicaciones de alto rendimiento, es fundamental invertir en productos de primera calidad, como las sondas Super OmegaClad XL™ e Inconel estándar de Omega. Estos productos están diseñados específicamente para proporcionar una fiabilidad superior y mediciones de temperatura precisas en una amplia gama de entornos industriales, desde la generación de energía hasta la industria aeroespacial, y desde el Procesamiento de sustancias químicas hasta la fabricación. Al elegir termopares de alta calidad fabricados para ofrecer resistencia y rendimiento, las industrias pueden obtener lecturas de temperatura precisas y consistentes, mejorar la eficiencia operativa y reducir el riesgo de costosos tiempos de inactividad o fallos en los equipos.
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