¿Qué es la compensación de unión fría en termopares?
Los termopares son herramientas increíblemente útiles y sencillas que sirven para medir la temperatura. Existen muchas variedades de termopares y pueden estar hechos de diferentes metales. A pesar de esta variedad, todos los termopares hacen lo mismo en última instancia: generan una tensión que corresponde a la diferencia de temperatura entre dos uniones. (Un instrumento, como un multímetro, mide esta diferencia de temperatura). Sin embargo, cuando se trata de realizar mediciones de temperatura precisas, este proceso de medición y conversión no siempre es suficiente. Aquí es donde entra en juego la compensación de unión fría.
En este artículo veremos qué es exactamente la compensación de unión fría, cómo funciona en termopares y cómo se calcula.
¿Qué es un termopar?
Antes de profundizar en los detalles de la compensación de unión fría, debemos empezar por los termopares. Un termopar es un sensor que mide la temperatura, fabricado a partir de dos tipos diferentes de metal; estos metales diferentes se unen en dos uniones, una unión de medición o caliente y una unión de referencia o fría. Los termopares funcionan según los principios del efecto Seebeck: si existe una diferencia de temperatura entre dos metales conductores o semiconductores diferentes en un circuito cerrado, dicha diferencia de temperatura crea tensión eléctrica. Esta tensión no es lineal en relación con la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría, y se define y calcula utilizando tablas de referencia estándar o ecuaciones polinómicas.
Sin embargo, la unión fría puede generar problemas de medición en los termopares. Tal como mencionamos anteriormente, la unión fría actúa como punto de referencia para medir la temperatura, por lo que se supone que debe permanecer a una temperatura estándar y constante; tradicionalmente, la temperatura era de 0 °C (32 °F). Sin embargo, mantener la unión fría a 0 °C requiere el uso de un baño de hielo, algo que sencillamente no resulta práctico para muchas aplicaciones que requieren el uso de un termopar. Para resolver este problema, los expertos deben utilizar una técnica denominada compensación de unión fría.
¿Qué es la compensación de unión fría?
La compensación de unión fría, o compensación de unión de referencia, es el proceso que consiste en ajustar el cálculo de la medición de tensión de un termopar para tener en cuenta de forma adecuada cuál sería la tensión si la unión fría estuviera en el punto de congelación, 0 °C. Esta compensación permite una medición precisa sin que la unión fría tenga que estar a exactamente 0 °C de forma constante. En otras palabras, la compensación de unión fría elimina la necesidad de utilizar un baño de hielo para la unión fría.
Para ayudar a completar esta compensación, las uniones frías de los termopares se suelen conectar a un dispositivo de detección de temperatura, normalmente un termistor o un detector de temperatura de resistencia (RTD). (Aunque muchas personas confunden RTD y termopares, no son lo mismo.) Ese dispositivo de detección de temperatura mide de forma independiente la temperatura a la que se encuentra la unión fría. A continuación, es capaz de compensar correctamente la temperatura real en ese punto de unión. Esta compensación garantiza que la tensión represente la temperatura en la unión caliente de forma precisa.
La compensación de unión fría es un paso importante en la toma de mediciones de temperatura con un termopar, ya que no solo garantiza lecturas mucho más precisas, sino que, al compensar los cambios de temperatura ambiente en la unión fría, también ayuda a estandarizar esas lecturas y a tener en cuenta cualquier posible variación ambiental.
¿Cómo se calcula la compensación de unión fría?
El proceso de cálculo de la tensión de un termopar es complicado y depende de una serie de factores, como el tipo de metales de los que está hecho el termopar, si el coeficiente Seebeck de esos metales cambia con la temperatura, etc. Sin embargo, la fórmula para calcular la compensación de unión fría es relativamente sencilla y se indica a continuación:
Eemf = −S∆T = (Sm1 - Sm2)(TCALIENTE − TFRÍA)
- Eemf es la salida de tensión del termopar.
- Sm1 es el coeficiente de Seebeck del primer tipo de metal del termopar.
- Sm2 es el coeficiente de Seebeck del segundo tipo de metal del termopar.
- TFRÍA es la temperatura de la unión fría.
- TCALIENTE es la temperatura de la unión caliente.
Por supuesto, cada uno de estos elementos de la fórmula requiere su propio cálculo. El primer paso es medir la tensión de salida real del termopar. A continuación, mida la temperatura de la unión fría (TFRÍA) y utilice la tabla de referencia adecuada para su tipo de termopar para conocer la compensación de tensión que corresponde a la temperatura. Según el grado de diferencia de la temperatura de la unión fría respecto al punto de hielo, el cambio en la tensión podría ser desde valores relativamente pequeños hasta uno o dos milivoltios completos (mV).
Después de obtener el valor correcto de la tabla de consulta, sume la tensión equivalente de la unión fría a la tensión medida del termopar, y luego use la tabla de referencia (o el polinomio) para determinar la temperatura de la unión caliente. Esta es ahora la temperatura correcta de la unión caliente con la compensación de unión fría adecuada.
También puede utilizar calculadoras en línea para simplificar en gran medida el proceso, como esta calculadora de tensión para la tabla de termopares. (Esta calculadora de tensión a temperatura para termopares también puede ser útil).
La compensación de la unión fría sigue necesitando una calibración adecuada
La compensación de unión fría puede corregir los errores de temperatura de referencia ambiental, pero no puede ayudar a tener en cuenta las lecturas de temperatura inexactas de un termopar que se ha degradado o que ha experimentado una desviación en la medición con el paso del tiempo. Los termopares, al igual que cualquier equipo de medición, deben calibrarse regularmente para garantizar unas lecturas precisas y fiables. Un termopar fiable permite un proceso de compensación sin contratiempos y ofrece mejores mediciones y más precisas en cualquier momento y lugar.