¿Por qué los termopares son la opción preferida para la medición de temperatura de alta precisión?

La pregunta, tal como se formula habitualmente, contiene una suposición que no se mantiene al comparar las hojas de datos. Un termopar no es el sensor de temperatura más preciso disponible, y no se vende como tal. Un termómetro de resistencia de platino alcanza una tolerancia de aproximadamente ±0.15 °C cerca de la temperatura ambiente, y un termistor lo hace mejor en una banda estrecha. Un termopar tipo K comienza con ±1.5 °C según el estándar de tolerancia internacional, antes de cualquier deriva en servicio.

Lo que un termopar hace mejor que cualquiera de ellos es cubrir un rango que ningún sensor de resistencia único puede alcanzar, sobrevivir en un entorno hostil, caber en un espacio de unos pocos milímetros de ancho y responder en milisegundos. Esa combinación es la razón por la que domina la medición industrial, y es una afirmación diferente a la de precisión. Un comprador que necesita ±0.1 °C a 40 °C no debería comprar un termopar, y un comprador que necesita una lectura a 1.300 °C dentro de un horno no tiene otra opción.

Esta página establece la comparación honestamente, y luego muestra de dónde proviene realmente la precisión de un termopar: la clase de tolerancia del cable, los dos mecanismos de deriva que actúan sobre él en servicio, la unión fría y los puntos de calibración. Esos cuatro elementos deciden el resultado, y ninguno de ellos es el cuerpo del sensor.

La comparación a continuación es la que debería comenzar una especificación. Los números son típicos de cada familia y se mueven con el producto específico, por lo que se utilizan para ubicar las familias y no para seleccionar una pieza.

Lea la primera fila contra la segunda. La familia con el rango más amplio tiene la tolerancia más laxa, y la familia con la tolerancia más estricta tiene el rango más estrecho. Eso no es un defecto en ninguno de los productos. Es la razón por la que ambos existen, y una especificación que pide el rango más amplio y la tolerancia más estricta al mismo tiempo está pidiendo una combinación que ningún sensor entrega.

IEC 60584-1 establece la tolerancia de salida de un termopar por tipo y por clase, y la tolerancia se expresa como un número fijo de grados o como una fracción de la temperatura medida. La tabla proporciona los límites de Clase 1 y Clase 2 para los tipos comunes de metales base y metales nobles, para diámetros de cable entre aproximadamente 0.1 mm y 3 mm.

Dos filas en esa tabla llevan más información que el resto. El tipo T es el tipo de metal base más estricto a baja temperatura, con ±0.5 °C por debajo de 125 °C, razón por la cual aparece en trabajos criogénicos y médicos. Los tipos S y R son los tipos de metales nobles, y su tolerancia es casi independiente de la temperatura por debajo de 1.100 °C con ±1.0 °C, lo que suena peor que el tipo K hasta que se lee el rango: a un tipo K a 1.000 °C se le permiten ±4 °C, y al tipo de metal noble todavía se le permiten ±1 °C.

El estándar también establece lo que la tolerancia no cubre. Los límites se aplican al cable tal como se suministra, y no permiten la deriva de calibración durante el uso. Esa frase es la razón por la que existe la siguiente sección.

Un termopar no se mantiene en su valor certificado. Los termoelementos cambian en servicio, y el cambio aparece como un desplazamiento en el voltaje que el par produce a una temperatura dada. En el tipo K, los dos cambios actúan en direcciones opuestas, razón por la cual un único factor de corrección no puede solucionarlos.

El primer mecanismo es un cambio en la disposición atómica del termoelemento positivo, la aleación de níquel-cromo. Entre aproximadamente 200 °C y 600 °C, la aleación desarrolla un orden de corto alcance, lo que significa que los átomos adoptan una disposición preferida localmente sin formar una nueva fase. Ese ordenamiento aumenta el coeficiente Seebeck de la aleación, por lo que el termopar lee alto. El efecto depende del tiempo, crece hacia un máximo a una temperatura dada, y el cambio máximo ocurre cerca de 400 °C. Por encima de 600 °C, el termoelemento positivo está completamente desordenado y el efecto se invierte.

El segundo mecanismo es la oxidación. En una aleación de níquel-cromo, el cromo se oxida preferentemente, y el contenido de cromo de la aleación no es lo suficientemente alto como para formar una capa externa continua de óxido de cromo. El resultado es un óxido de níquel externo sobre una capa de óxido rica en cromo, y el cromo que forma esa capa se toma del metal subyacente. La aleación queda agotada en cromo, y un menor contenido de cromo significa un menor coeficiente Seebeck, por lo que el termopar lee bajo.

La consecuencia práctica es que un termopar tipo K que ha estado en ambas bandas tiene un error neto cuyo signo depende del historial de la instalación, y la única forma de saberlo es medirlo. Una verificación de calibración después del servicio es el instrumento que revela la suma, y una sonda devuelta a un laboratorio de calibración después de una campaña es la única forma fiable de saber cuánto se movió.

Un termopar mide una diferencia, no una temperatura absoluta. El voltaje que produce es la diferencia entre el efecto Seebeck en la unión caliente y el efecto Seebeck en los terminales, por lo que el instrumento debe conocer la temperatura del terminal para informar un resultado. Esa es la unión fría, y el error en ella pasa directamente a la lectura sin atenuación.

Se utilizan tres métodos comunes, y difieren en lo que suponen. Una referencia fija mantiene los terminales a una temperatura conocida, históricamente un baño de hielo y ahora un bloque termostatizado. Un terminal compensado mide la temperatura del terminal con un sensor separado y suma el voltaje correspondiente electrónicamente. Un bloque isotérmico asume que todos los terminales están a la misma temperatura y mide esa única temperatura una vez.

El error que es más fácil de eliminar es el que con más frecuencia se deja en su lugar. Un termopar instalado con cable de cobre ordinario entre el cabezal de la sonda y el instrumento ha creado dos nuevas uniones en la transición, y esas uniones están a la temperatura ambiente del gabinete. La lectura entonces depende de la temperatura del gabinete así como del proceso, y la dependencia es invisible a menos que el gabinete se caliente o enfríe.

El cable de compensación existe por esta razón. Está hecho de aleaciones que coinciden con el comportamiento termoeléctrico del termopar en un rango de temperatura limitado, por lo que la transición de la sonda al instrumento no crea un error. El cable tiene una polaridad, tiene un rango de temperatura sobre el cual la coincidencia se mantiene, y debe conectarse de la manera correcta. Un cable de compensación invertido produce un error del doble de la temperatura de la unión, lo cual es grande y parece un fallo del instrumento.

Una clase de tolerancia es un límite de fabricación y no una declaración sobre una sonda en particular. La forma de saber lo que lee una sonda es calibrarla, y la elección del método de calibración decide cuánto del rango se cubre.

Una calibración por comparación coloca la sonda y un termómetro de referencia en el mismo baño o horno y registra la diferencia en un conjunto de puntos. Es rápida, cubre el rango que el baño puede alcanzar, y su incertidumbre está limitada por la referencia y por la uniformidad del baño. Una calibración por punto fijo mantiene la sonda en una transición de fase termodinámica, como el punto de congelación de un metal, donde la temperatura se define por la física y no por un termómetro de referencia. Es más lenta y más cara, y proporciona una menor incertidumbre en los puntos que utiliza.

Ninguno de los métodos elimina la deriva que ocurre después de la calibración. Una sonda calibrada antes de la instalación y utilizada durante un año a 400 °C tiene un certificado que describe una condición que ya no tiene. La práctica que detecta esto es una verificación periódica en uno o dos puntos, con el resultado comparado con el certificado original, y el intervalo establecido por la rapidez con que se han movido las lecturas y no por un calendario.

El caso de un termopar es más fuerte donde las alternativas no pueden llegar. La tabla establece las condiciones y la razón por la que cada una apunta a esta familia.

Cuatro propiedades del cable deciden el rendimiento del termopar terminado, y las cuatro se establecen antes de ensamblar la sonda.

La composición establece el coeficiente Seebeck, y la clase de tolerancia es una declaración sobre cuán estrictamente se mantuvieron la composición y el procesamiento. Una deriva en el contenido de cromo de una fracción de un por ciento mueve la salida de un par tipo K en una cantidad que importa en el límite de tolerancia, razón por la cual la especificación de aleación para cable de termopar es más estricta que la especificación para la misma aleación utilizada como material de resistencia o estructural.

La homogeneidad establece cuánto depende la lectura de dónde cae el gradiente de temperatura. Un cable que ha sido trabajado de manera desigual, o que tiene un gradiente de composición a lo largo de su longitud, produce un voltaje diferente dependiendo de qué parte de él se encuentra en la zona caliente. Es por eso que un termopar no debe cortarse de una bobina e instalarse sin conocer su historial, y por qué una sonda usada que se ha acortado puede leer de manera diferente a la que reemplazó.

La condición de la superficie establece la velocidad a la que procede el mecanismo de oxidación. Un cable con una superficie limpia y uniforme se oxida de manera predecible, y un cable con marcas de trefilado o lubricante residual se oxida localmente y agota el cromo de manera desigual a lo largo de su longitud.

El diámetro establece la vida útil. Un cable más grueso tarda más en perder el cromo que consume la capa de óxido, por lo que una sonda de calibre pesado dura más en el mismo horno, a costa de una respuesta más lenta. Esa compensación es la que hace un comprador al elegir entre un cable fino para la respuesta y un cable grueso para la vida útil.

El cable de termopar se pide por tipo, por clase, por diámetro y por aislamiento, y el estándar que rige la salida es diferente del estándar que rige la aleación.

DLX suministra aleaciones de termopar en Changzhou, Jiangsu, en alambre desde 0.025 mm, barra redonda hasta 50 mm, y fleje desde 0.50 mm hasta 2.5 mm de espesor. El rango cubre las aleaciones de níquel-cromo y níquel-silicio para los tipos K y N, las aleaciones de cobre-níquel para los tipos T y J, y las aleaciones de platino-rodio para los tipos S y R, junto con las aleaciones de cable de compensación a juego.

El cable se suministra según la especificación de aleación y la clase de tolerancia indicada en el pedido, con un certificado EN 10204 3.1 bajo pedido y el número de lote trazable a los resultados de las pruebas. La pregunta útil no es qué tipo es el más preciso en general, sino qué tipo mantiene su tolerancia en el rango y la atmósfera de la instalación.

No, y las hojas de datos lo dicen. Un termómetro de resistencia de platino Clase A alcanza aproximadamente ±0.15 °C cerca de la temperatura ambiente, mientras que a un termopar tipo K Clase 1 se le permiten ±1.5 °C por debajo de 375 °C. El termopar gana en rango, tamaño, velocidad de respuesta y capacidad para sobrevivir en un entorno hostil. El termómetro de resistencia gana en precisión y estabilidad donde se puede usar.

Es una tolerancia de fabricación de IEC 60584-1: ±1.5 °C entre -40 y 375 °C, y ±0.004 veces la temperatura medida entre 375 y 1.000 °C, lo que es ±4 °C a 1.000 °C. El estándar establece que los límites se aplican al cable tal como se suministra y no permiten la deriva de calibración durante el uso, por lo que una sonda Clase 1 que ha pasado un año a temperatura puede que ya no esté dentro de la Clase 1.

Porque dos mecanismos actúan en diferentes bandas de temperatura y empujan la lectura en direcciones opuestas. Entre aproximadamente 200 y 600 °C, la pata positiva desarrolla orden de corto alcance, lo que aumenta su coeficiente Seebeck y hace que el par lea alto, con el mayor efecto cerca de 400 °C. Por encima de aproximadamente 900 °C en aire, el cromo se oxida y el metal subyacente se agota en cromo, lo que reduce el coeficiente Seebeck y hace que el par lea bajo. El error neto depende del historial de la instalación.

Se puede conectar, y la conexión crea dos nuevas uniones a la temperatura ambiente del gabinete. La lectura entonces depende de esa temperatura ambiente así como del proceso, y la dependencia es invisible hasta que el gabinete se calienta. El cable de compensación hecho de aleaciones que coinciden con el termopar en un rango limitado evita el error, siempre que sea el tipo correcto y esté conectado con la polaridad correcta.

El intervalo debe seguir la deriva que se observa realmente, y no un calendario fijo. Una sonda en un horno limpio a temperatura constante deriva menos que una que cicla a través de la banda de ordenamiento o funciona en aire por encima de 900 °C. Una verificación periódica en uno o dos puntos, comparada con el certificado original, da la tasa de deriva, y la tasa establece el intervalo.

Cuando la temperatura está por encima del rango práctico de los tipos de metal base, o cuando la tolerancia debe mantenerse a alta temperatura. A un tipo K se le permiten ±4 °C a 1.000 °C en Clase 1, mientras que a un tipo S o R se le permiten ±1.0 °C hasta 1.100 °C. Los tipos de metal noble cuestan más, son más sensibles a la contaminación y son la respuesta donde la precisión a la temperatura importa más que el precio del cable.

Un termopar es la opción preferida para la medición de temperatura industrial porque cubre un rango que ningún sensor de resistencia alcanza, sobrevive a entornos que destruyen uno y responde en milisegundos. No es el sensor más preciso, y una especificación que lo trata como tal parte de una premisa falsa.

La precisión disponible proviene de cuatro elementos: la clase de tolerancia del cable, la deriva que produce la instalación, la unión fría y la calibración. La deriva tiene dos mecanismos en el tipo K que actúan en direcciones opuestas, razón por la cual un factor de corrección no puede reemplazar una verificación de calibración. El error de la unión fría pasa a la lectura sin atenuación, razón por la cual el cable de compensación y un bloque de terminales uniforme son tan importantes como la sonda.

IEC 60584-1, termopares, funciones de referencia y tolerancias. Fuente de las tolerancias de Clase 1 y Clase 2 por tipo y rango de temperatura, incluyendo los límites de ±1.5 °C y ±0.004 veces t para el tipo K, los límites de ±0.5 °C y ±0.004 veces t para el tipo T, y los límites de ±1.0 °C y ±(1 + 0.003 x (t - 1.100)) para los tipos S y R.

IEC 60584-2, termopares, tolerancias, como documento complementario a las funciones de referencia.

Datos técnicos publicados sobre cable de termopar tipo K, que proporcionan el cambio aproximado de fuerza electromotriz generada de 42 microvoltios por kelvin a 100 °C y 39 a 1.000 °C, el rango continuo de 0 a 1.100 °C, el rango a corto plazo de -180 a 1.350 °C, y la afirmación de que las tolerancias estándar no permiten la deriva de calibración durante el uso.

Investigación publicada de la Universidad de Cambridge sobre la deriva en termopares de cable desnudo tipo K. Fuente de la transformación de ordenamiento de corto alcance en el termoelemento positivo entre 200 y 600 °C, el aumento del coeficiente Seebeck que produce, el efecto máximo cerca de 400 °C, el estado desordenado por encima de 600 °C, y el mecanismo de agotamiento de cromo causado por la oxidación preferencial por encima de 900 °C que reduce el coeficiente Seebeck.

IEC 60751, termómetros de resistencia de platino industriales y sensores de temperatura de platino, como fuente de la tolerancia Clase A de aproximadamente ±0.15 °C cerca de la temperatura ambiente utilizada en la comparación.

ASTM E230, especificación estándar y tablas de fuerza electromotriz de temperatura para termopares estandarizados, como contraparte norteamericana de las funciones de referencia IEC.

ASTM E220, método de prueba estándar para la calibración de termopares por técnicas de comparación.

EN 10204, documentos de inspección, para la definición del certificado 3.1 como un documento que contiene resultados de pruebas reales y respaldado por el representante de inspección independiente del fabricante.

Las tolerancias y temperaturas anteriores son valores estándar para los tipos y clases nombrados, y se aplican al cable tal como se suministra y no a una sonda en servicio. Una tolerancia es un límite de fabricación y no una incertidumbre de medición, y la incertidumbre de una lectura particular incluye la unión fría, el cable de extensión, el instrumento y la deriva que ha producido la instalación. Los mecanismos de deriva descritos para el tipo K actúan con el tiempo y su magnitud depende de la temperatura, la atmósfera y la exposición, por lo que una sonda debe ser verificada y no asumida. Las cifras de precisión para termómetros de resistencia y termistores son valores típicos para las clases nombradas y varían con el producto específico. Las especificaciones del producto se revisan, y la edición nombrada en la orden de compra rige. Nada en esta página sustituye a una liberación de ingeniería o a las pruebas de calificación acordadas entre el comprador y el proveedor.