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Medición de la Temperatura en Ambientes Electromagnéticos

Una de las maneras más fáciles de medir y registrar la temperatura es con un termopar. Los termopares funcionan de modo confiable en la mayoría de los ambientes y toleran temperaturas extremadas, vibración e incluso radiación ionizante. Sin embargo, son susceptibles a los efectos de los campos magnéticos, por lo tanto, deben ser utilizados con cuidado en algunos locales o no se deben usar.

Este Informe de OMEGA Engineering discute los problemas con el uso de los termopares en ambientes electromagnéticos y hace recomendaciones para tipos alternativos de instrumentación de temperatura. Las secciones individuales cubren:
  • Teoría y aplicación del termopar
  • Vulnerabilidades electromagnéticas
  • Tensión inducida
  • Calentamiento por inducción
  • Problemas de tensión en el modo común
  • Dispositivos alternativos de medición de temperatura

Teoría y Aplicación del Termopar

Sondas Termopares con Conectores
Sondas Termopares con Conectores
Los termopares utilizan el Efecto Seebeck, descubierto por Thomas Johann Seebeck en 1821. Este es el fenómeno por lo cual la corriente eléctrica fluye en un circuito hecho de metales distintos, cuando sus dos uniones están en temperaturas diferentes.

Los metales usados en termopar deben tener propiedades termoeléctricas. Eso es cuando los electrones están disponibles para difundir por el material. A temperaturas más altas, los electrones ganan energía cinética, se vuelven más móviles y aumentan el grado en que se mueven y crean los cambios en el potencial eléctrico. Muchas aleaciones con base de níquel tienen esas características y son usadas en la mayoría de los cables del termopar común. Por ejemplo, el termopar tipo K utiliza uniones de Chromel-Alumel, que incluyen proporciones significantes de níquel. Otras combinaciones de materiales usadas en los termopares se basan en platino-rodio y tungsteno-renio, que también tiene propiedades termoeléctricas.

La corriente y la tensión producidas son proporcionales a la diferencia en la temperatura entre las dos uniones, aunque la relación no sea exactamente lineal. Las tensiones actuales son muy pequeñas. En un termopar tipo K, (extensamente usado por su amplio rango de temperatura y bajo costo), el cambio es 41 microvoltios por grado Celsius. Otros tipos de termopar producen cambios de una magnitud semejante. Consecuentemente, las señales del termopar deben ser ampliadas para uso en los sistemas de medición. Inevitablemente, cualquier tensión adicional en las señales por causas externas aumentan a la vez.

Vulnerabilidades Electromagnéticas

Las altas tensiones son comunes en muchas situaciones donde se necesitan mediciones de temperatura y los campos electromagnéticos son inevitables. Se utiliza el calentamiento por inducción en toda la industria y se debe mentir la temperatura para garantizar los procesos consistentes. Las líneas de potencia eléctrica llevan altas tensiones. Los transformadores ven las altas cargas y pueden volverse muy calientes. Aun las bujías utilizadas en los motores de combustión interna (no solo en los motores de automóviles, sino también en conjuntos de generadores grandes) generan señales electromagnéticos transitorios.

Los campos electromagnéticos afectan las lecturas del termopar de dos maneras. Ellos pueden:
  1. Inducir la tensión en los cables del termopar
  2. Causar el calentamiento por inducción del termopar
Además, la tensión del modo común relativa a la puesta a tierra agregará tensión a la señal del termopar. Esos problemas pueden ocurrir en ambientes dc, pero son más severos en la presencia de ac.

Tensión Inducida

La Ley de Faraday describe el fenómeno donde se mueve un conductor eléctrico por un campo magnético que resulta en la generación del potencial eléctrico. El mismo efecto puede crear la tensión en los cables del termopar, principalmente si los cables están alineados perpendicular a un campo de cambio. Como el efecto de Seebeck produce tensiones muy pequeñas, un campo pequeño puede cambiar la lectura de temperatura.

Calentamiento por Inducción

El someter un conductor a un campo electromagnético alternativo crea espirales y aumenta el calor. Así, con el níquel eléctricamente conductivo, un campo magnético alternativo que pueda encontrarse alrededor de un gran motor o generador, irá calentar el propio dispositivo de medición de temperatura. Eso resultará en una señal que no retrata precisamente la temperatura medida.

Problemas de Tensión en el Modo Común

Cuando se utiliza un termopar o como parte de un equipo eléctrico, en general, se conecta a la alimentación. Cuando eléctricamente energizado, es posible para una diferencia entre la puesta a tierra y la tierra del equipo para afectar la tensión de la señal del termopar. En esos casos, la solución es ofrecer aislamiento galvánico del sistema de medición de temperatura, o alternativamente, mira a otros métodos de medición de temperatura.

Dispositivos Alternativos de Medición de Temperatura

Sensor/Transmisor de Temperatura por Infrarrojos
Sensor/Transmisor de Temperatura por Infrarrojos
 Sensor/Transmisor de Temperatura por Infrarrojos
Sensor/Transmisor de Temperatura por Infrarrojos
Dos tecnologías para explorar son Tipo Pt100 dispositivos de temperatura de resistencia (RTDs) y detección de infrarrojo (IR) emisión.

RTDs, (donde el principio de medición es el cambio en resistencia de un largo del cable de platino) son reconocidos por la alta precisión y tienen buena inmunidad a los campos electromagnéticos. Sin embargo, suelen ser frágiles y no siempre adecuados a los ambientes industriales.

La medición de emisión de IR tiene la ventaja de no tener contacto y puede realizarse a distancias de varios metros o más, según el tamaño del emisor. Saca ventaja de la Ley de Planck que describe cómo un cuerpo radía energía en proporción a su temperatura. Un reto a ser solucionado es que las distintas superficies a la misma temperatura radiarán en tasas diferentes. Descrito como una diferencia en la emisividad, se debe tomar en cuenta cuando se mide la temperatura con cualquier tipo de detector de IR.

OMEGA Engineering ofrece varios sensores/transmisores de temperatura de IR adecuados para uso en un amplio rango de situaciones industriales. El OS137 viene en un alojamiento de acero inoxidable de 1" de diámetro con clasificación NEMA-4 y puede ser utilizado a distancias hasta 48”. (Observe que el objetivo de la medición debe estar en el campo de visión del sensor. De lo contrario, la temperatura medida no será precisa).

Tres modelos de OS137 están disponibles y cubren las temperaturas hasta 538°C (1000°F). Se puede montar un accesorio de visión con láser en la parte delantera durante la instalación para garantizar la alineación precisa con el objetivo. El tipo de salida debe ser especificado al hacer el pedido: elegir las salidas del termopar te tipo K, la tensión o corriente. La facilidad existe para un punto de ajuste de alarme y la emisividad es ajustable.

En un diámetro de 3/4”, el OS136 es un transmisor/sensor infrarrojo más compacto. El desempeño es semejante al OS137, aunque el ángulo de visión sea más amplio (que puede solicitar una colocación más cercana.) Distinto del OS137, la emisividad está fija a 0,95, por lo tanto, se debe hacer correcciones para los objetivos que son distintos.

Aportes

Los termopares miden la temperatura en microvoltios por grados Celsius. Esas señales necesitan que la amplificación sea útil, que las hace susceptibles a los errores de medición, cuando usadas en ambientes electromagnéticos. Las tensiones pueden ser inducidas en los cables del termopar, el calentamiento por inducción puede aumentar la temperatura del termopar y los problemas de puesta a tierra pueden aumentar la tensión medida.

Mientras se puede utilizar varios filtros y varios métodos de producción, otro abordaje es cambiar la tecnología de medición. Los dos RTDs y la detección de la emisión de IR tienen buena tolerancia a los campos magnéticos, aunque los RTDs sean, en general, muy frágiles para entornos industriales. Los transmisores/sensor de IR ofrecen una medición sin contacto con un rango de opciones de salida y están disponibles en alojamientos de protección robustos.

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