Medición de temperatura precisa: tecnologías de sensor existentes y requisitos de los sistemas de adquisición de datos

La temperatura es la magnitud que se mide con mayor frecuencia en el mundo de las tecnologías de medida. De hecho, existen diversos sensores y métodos disponibles para medirla. Una de las formas más habituales de medir la temperatura es a través del uso de un termopar. Este artículo ofrece una visión global sobre la cuestión.

La temperatura es la magnitud que se mide con mayor frecuencia en todo el mundo. El registro preciso de los cambios de temperatura desempeña un papel esencial tanto en las mediciones estructurales como en las operaciones dinámicas de toda clase de sistemas.

Son muchos los factores que provocan cambios térmicos. Por ejemplo, las influencias ambientales (calor, frío), el calentamiento de los sensores, los procesos de combustión o explosión, el caudal y los componentes de un sistema con movimiento mecánico, que generan fricción o corriente eléctrica.

Los cambios de temperatura tienen a su vez importantes repercusiones sobre otras magnitudes físicas, como la cantidad de corriente eléctrica, la deformación, el caudal o la presión. Lo ideal es tener en cuenta estas dependencias térmicas y compensarlas durante el funcionamiento. En este caso, una adquisición de la temperatura precisa es absolutamente esencial para reducir la incertidumbre de medida debida a las variaciones de temperatura.

Se pueden utilizar perfiles de temperatura obtenidos durante las pruebas o ensayos de modelos para analizar y optimizar los sistemas. Esto puede ser beneficioso en el caso de circuitos de refrigeración y calefacción, el diseño de materiales o la determinación del tamaño de cables conductores de electricidad.

Posibles métodos de medición digital de la temperatura

Para comparar temperaturas digitalmente al mismo tiempo que obtenemos otras magnitudes, existen las siguientes opciones de medición de la temperatura:

Sensores que modifican su resistencia, como los termistores NTC (reducen su resistencia a medida que aumenta la temperatura) y termistores PTC (incrementan su resistencia a medida que aumenta la temperatura); por ejemplo, termómetros con resistencia de platino o silicona o termistores PTC de cerámica.
Sensores que suministran una señal eléctrica, como los sensores de temperatura IC, en los que cambia la corriente o la tensión proporcionalmente a los cambios de temperatura.
Sensores de temperatura que emplean un oscilador de cristal de cuarzo: en este caso, la frecuencia de resonancia varía en función de la temperatura.
Los pirómetros y las cámaras de imagen térmica son herramientas sin contacto que miden la radiación térmica.
Los sensores de temperatura de fibra óptica miden el perfil de temperatura a lo largo de una fibra de vidrio. En este caso el principio es el efecto Raman, es decir, el cambio en el índice de refracción de una red de Bragg (FBG) en función de la temperatura.
Y por último, uno de los métodos de medición de la temperatura más habituales —hoy más que nunca—, son los termopares, que transforman las diferencias de temperatura en una tensión eléctrica como consecuencia del efecto Seebeck. Los termopares están compuestos por dos metales distintos unidos mediante soldadura en uno de sus extremos. Cuando este punto de conexión se calienta, se genera una tensión no lineal en función de la temperatura.

Type-K insulated thermocouple for the QuantumX MX809B module. — Termopar con aislamiento de tipo K, compatible con el módulo QuantumX MX809B.

Fiber optic temperature sensors — Sensores de temperatura de fibra óptica, como los de la serie FS63 de HBM.

Thomas Johann Seebeck (1770-1831) — Thomas Johann Seebeck (1770–1831), físico alemán. Fuente de la imagen: Wikipedia

Determinación de la temperatura mediante el efecto Seebeck

Los termopares miden la temperatura basándose en el efecto Seebeck. El físico Thomas Johann Seebeck descubrió la termoelectricidad; es decir, la relación existente entre el calor y la electricidad. Si el punto de conexión de dos metales distintos se calienta, se genera una tensión en función de la temperatura.

Las puntas de los termopares constan de cables soldados que están conectados a la electrónica de medición. Si la temperatura varía en distintos puntos de estos cables, se produce un desplazamiento de la carga. La conductividad y el material del cable determinan la cantidad de actividad de los electrones y, en consecuencia, la medida en la que se desplaza la carga. Si el punto de conexión soldado de los dos metales se calienta, los electrones se desplazan de un material al otro. La diferencia en la temperatura resultante entre los extremos conectados y no conectados de los cables da lugar a una tensión termoeléctrica. Esta tensión se puede medir en los extremos libres de los cables. Una vez que hemos anotado la temperatura en el extremo libre del cable y hemos medido la tensión, podemos calcular la temperatura en el punto de conexión de los dos cables. La tensión medida es muy baja en este caso: tan solo unas docenas de microvoltios por cada grado Celsius de diferencia de temperatura. No obstante, es perfectamente adecuada para determinar la temperatura con precisión.

Tipos de termopares

Existen diferentes tipos de termopares, que varían en función de los materiales con los que están fabricados y sus propiedades, y abarcan diversos intervalos de temperatura. La norma DIN EN 60584 define los distintos tipos, sus intervalos de tensión, las fuerzas electromotrices y el límite admitido para las temperaturas de desviación.

El termopar de tipo K es uno de los más utilizados. Se trata de un termopar universal con una conexión hecha de aleaciones de níquel-cromo y níquel-alumel. Tiene una sensibilidad de aproximadamente 41 μV/°C (microvoltios por grado Celsius), es económico y ofrece un intervalo de temperatura muy amplio que normalmente abarca entre -200 y +1100 °C.

Otros tipos de uso frecuente son los E, T, J, N (que es el sucesor del tipo K), C y S.

Conector para termopar de tipo K (verde)

Conector para termopar de tipo K (amarillo)

Conector para termopar de tipo J (negro)

Uso de los termopares

Los termopares se pueden utilizar en una gran variedad de aplicaciones en campos de investigación y desarrollo. Pueden facilitar los procesos de verificación y mejora de modelos de climatización complejos en el interior de un vehículo; por ejemplo, con el fin de mantener los dispositivos de almacenamiento de energía en un estado térmicamente óptimo y evitar la desmagnetización de los motores eléctricos.

Ventajas de los termopares

Presentan un diseño robusto.
Se pueden fabricar con un recubrimiento delgado que les proporciona un tiempo de respuesta rápido (hasta 0,1 segundos/10 Hz), con una integración casi universal.
Son económicos.
Se pueden aplicar a un amplio intervalo de temperaturas.

Desventajas de los termopares

Se requieren líneas de compensación del mismo material (cables termoeléctricos).
Los puntos de contacto dan lugar a termopares adicionales, por ejemplo, el níquel-cromo (NiCr) del termopar de tipo K con el cobre del instrumento de medida, lo cual genera tensiones termoeléctricas que deben compensarse (compensación de la unión fría).
Clase de precisión.
Poseen una curva característica no lineal.
Existen muchos factores de incertidumbre.
Las temperaturas deben medirse con frecuencia en entornos con interferencias electromagnéticas elevadas.

Los sistemas objeto de la prueba, como motores de combustión, compresores y sistemas de accionamiento eléctrico, generan su propio ruido eléctrico. Los entornos ruidosos se generan como consecuencia de objetos que descargan altas tensiones, como las bujías, y de la presencia de corrientes y tensiones elevadas cerca del punto de medición.

El sistema de adquisición de datos óptimo para medir temperatura con termopares

El sistema de adquisición de datos óptimo debe detectar las señales más pequeñas, superar todas las dificultades en condiciones ambientales cambiantes y, adicionalmente, suprimir las magnitudes perturbadoras, como el ruido de la señal.

QuantumX de HBM es un sistema de adquisición de datos adecuado para todas las magnitudes físicamente medibles habituales; además, proporciona análisis de datos sencillo con el software catman.

En la actualidad se encuentran disponibles los modelos que se indican a continuación, especialmente diseñados para la conexión de termopares:

MX1609KB: módulo de adquisición de datos de 16 canales, tipo K.
MX1609TB: módulo de adquisición de datos de 16 canales, tipo T.
MX1609KB-R: robusto amplificador con 16 canales configurables por separado para termopares de tipo K (serie SomatXR).
MX809B: módulo de adquisición de datos de 8 canales, todos los tipos (receptáculo de cobre).
MX840B/MX440B: módulo de adquisición de datos universal de 8/4 canales, todos los tipos.

Medición de temperatura y otras muchas señales con QuantumX

HBM comercializa el sistema de adquisición de datos QuantumX (DAQ) para medir temperaturas con precisión mediante termómetros de resistencia o termopares. La familia QuantumX es modular y escalable, lo cual se adapta a los requisitos de la mayoría de usuarios. Permite la conexión de cualquier señal, sensor y transductor, y digitaliza de manera sincronizada magnitudes físicas como, por ejemplo, temperatura, deformación, presión, fuerza, par, velocidad, aceleración, posición, caudal, tensión y corriente.

Sistema de adquisición QuantumX para unos resultados de medición precisos

El sistema de adquisición de datos modular QuantumX procesa magnitudes medibles, como la temperatura, con una precisión excepcional:

Tiene un campo de aplicación extremadamente amplio en el ámbito de la I+D que abarca la ingeniería mecánica, la automoción, la ingeniería médica y la industria aeroespacial.
Mide temperaturas con una precisión extrema de hasta 0,1 K.
Es insensible a los efectos de las interferencias.
Se pueden llevar a cabo mediciones fiables con un potencial de tensión elevado (con certificación VDE).
Parametrización de los canales automatizada mediante el módulo TEDS inalámbrico (RFID).
Es ideal para mediciones estructurales y altamente dinámicas, con posibilidad de elegir frecuencias de muestreo de entre 0,1 y 40.000 S/s.
Transferencia de datos óptima a través de Ethernet. Se puede integrar en el software preferido por el cliente.

Módulo de termopar SomatXR MX1609KBR ultrarrobusto

Módulo de adquisición de datos MX809B para la medición de temperaturas y tensiones

QuantumX ofrece la tecnología óptima para prácticamente cualquier aplicación:

Se suministra con entradas universales o especiales, de todos los tipos o de tipos específicos.
Compensación de la unión fría altamente precisa para cada canal individual, cerca de la unión con el cobre (Pt1000).
Los canales están eléctricamente aislados entre sí y de la alimentación y la red, lo que elimina de manera eficaz las perturbaciones.
Las cadenas de medida resultan seguras gracias al cable con doble aislamiento, el conector con protección frente al contacto, el elevado aislamiento eléctrico (ver las categorías de medición) y la verificación por parte del VDE.
Integra linealización polinómica de curvas conforme con las normas IEC.
Existe una segunda linealización específica de la aplicación a través de la calibración térmica de varios puntos (por ejemplo, agua/hielo y 200 °C), para corregir el polinomio.
Posee un diseño robusto y compacto, con un intervalo de temperatura ampliado.
Se entrega con parametrización de canales automatizada, visualización del punto de medición y linealización individual mediante TEDS (tecnología RFID).
Ofrece frecuencias de muestreo individuales por canal + filtro de paso bajo.
Diseño del sistema ampliable y libremente escalable.
Se pueden efectuar mediciones sincronizadas.
Se puede integrar fácilmente en el software que prefiera el cliente. Con catman, también de HBM, dispondrá de una solución sencilla y completa de análisis y adquisición de datos.
Se puede integrar en tiempo real (EtherCAT, bus CAN).