Introducción
La temperatura ambiente puede afectar a un termómetro de termopar, aunque la magnitud de este efecto depende del diseño del instrumento, del rendimiento de la compensación de unión fría, de la velocidad de los cambios ambientales, de la construcción de la sonda y del método de medición.
Un termopar no proporciona directamente la temperatura absoluta del objeto medido. Genera una tensión termoeléctrica relacionada con la diferencia de temperatura entre la unión de medida y la unión de referencia. El termómetro mide esta tensión y aplica una compensación de unión fría para calcular la temperatura final.
Por este motivo, los cambios significativos de temperatura alrededor del instrumento, de sus terminales de entrada o de la sonda pueden influir en el resultado.
Cuando el instrumento se utiliza dentro de su rango de temperatura de funcionamiento y en un entorno relativamente estable, un termómetro de termopar correctamente diseñado suele compensar de forma eficaz las variaciones normales de temperatura ambiente. Sin embargo, los cambios rápidos, las corrientes de aire intensas, las grandes diferencias térmicas o el funcionamiento fuera de las condiciones especificadas pueden aumentar el error.
Puntos clave
● La temperatura ambiente puede influir en la medición, pero una variación ambiental no se convierte directamente en un error de igual magnitud.
● La compensación de unión fría (CJC) es uno de los elementos principales para reducir la influencia de la temperatura ambiente.
● El traslado rápido del instrumento entre entornos fríos y cálidos puede generar gradientes térmicos internos temporales y errores adicionales.
● La sonda también puede intercambiar calor con el aire, las superficies cercanas o su estructura de montaje, haciendo que la temperatura de la unión sea diferente de la temperatura real del objeto.
● Permitir que el instrumento, los conectores y los terminales alcancen el equilibrio térmico mejora la precisión y la repetibilidad.
¿Por qué puede afectar la temperatura ambiente a un termómetro de termopar?
Un termopar está formado por dos conductores de materiales diferentes. Cuando existe una diferencia de temperatura entre la unión de medida y la unión de referencia, se genera una tensión termoeléctrica.
Por tanto, la señal depende tanto de la temperatura en el punto de medida como de la temperatura en la conexión o unión de referencia.
Los termómetros digitales de termopar suelen incorporar un sensor de temperatura cerca de los terminales de entrada. Este sensor mide la temperatura local y permite al instrumento realizar la compensación de unión fría antes de convertir la tensión termoeléctrica en un valor de temperatura.
Por ejemplo, si una sonda mide un objeto a 100°C y la temperatura de los terminales es de 25°C, el termómetro debe compensar la tensión termoeléctrica correspondiente a esos 25°C de referencia.
Si la temperatura de los terminales cambia y el sistema de compensación no sigue esa variación con suficiente rapidez o precisión, la temperatura indicada puede desviarse del valor real.
Por ello, el efecto de la temperatura ambiente está estrechamente relacionado con la capacidad del sistema CJC para representar correctamente la temperatura real de la conexión del termopar.
¿Por qué es tan importante la compensación de unión fría?
Las tablas de referencia de los termopares se basan tradicionalmente en una unión de referencia a 0°C. En aplicaciones reales, sin embargo, no es posible mantener permanentemente los terminales del instrumento a 0°C.
Por ello, los termómetros digitales de termopar utilizan compensación de unión fría para corregir matemáticamente la temperatura real de los terminales.
Cuando el entorno es estable, el conector, los terminales, el sensor CJC y los componentes internos próximos suelen encontrarse a temperaturas similares, lo que permite una compensación eficaz.
Sin embargo, los cambios rápidos o no uniformes pueden crear gradientes térmicos temporales. Por ejemplo:
● El instrumento se traslada de un entorno exterior frío a una sala cálida;
● El termómetro permanece expuesto a la luz solar directa;
● El instrumento está cerca de un horno, una tubería caliente u otra fuente de calor;
● El aire frío de un sistema de climatización incide directamente sobre los terminales;
● El usuario sostiene durante mucho tiempo la zona próxima a las entradas y la calienta localmente.
En estas condiciones, la temperatura medida por el sensor CJC puede diferir temporalmente de la temperatura real de la conexión del termopar y generar un error adicional.
Los cambios rápidos de temperatura son más críticos que un entorno estable
En un termómetro de termopar, la estabilidad de la temperatura ambiente suele ser más importante que trabajar exactamente a 20°C o a 30°C.
Mientras el instrumento permanezca dentro de su rango de funcionamiento especificado y haya alcanzado el equilibrio térmico, la compensación de unión fría suele funcionar correctamente.
Los cambios rápidos de temperatura son más problemáticos.
Por ejemplo, si un termómetro se traslada directamente de un entorno a 5°C a una sala a 30°C, la carcasa, los conectores, la electrónica interna y el sensor CJC no se calientan a la misma velocidad. Como resultado, se generan gradientes térmicos temporales.
La indicación puede variar hasta que el instrumento alcance un nuevo equilibrio térmico.
Después de un cambio ambiental importante, conviene dejar que el instrumento se estabilice antes de realizar mediciones de alta precisión.
El tiempo de estabilización debe determinarse de acuerdo con las instrucciones y especificaciones técnicas del fabricante.
El rango de temperatura de funcionamiento del instrumento también es importante
Los termómetros digitales de termopar suelen estar especificados para un determinado rango de temperatura ambiente.
La precisión indicada por el fabricante normalmente solo es válida dentro de las condiciones de funcionamiento especificadas. A temperaturas excesivamente altas o bajas, puede aumentar el error de la compensación de unión fría y cambiar el comportamiento de los componentes electrónicos internos.
Entre los componentes afectados pueden encontrarse:
● Los circuitos de entrada analógicos;
● Los convertidores analógico-digitales;
● Los sensores de compensación de unión fría;
● Las referencias de tensión;
● Las baterías;
● Las pantallas LCD u otros elementos de visualización.
Por ello, el termómetro debe utilizarse siempre que sea posible dentro del rango ambiental especificado.
También es importante diferenciar entre el rango de temperatura de la sonda de termopar y el rango de temperatura ambiente permitido para el propio instrumento.
Por ejemplo, una sonda de termopar tipo K puede medir varios cientos de grados Celsius o más, mientras que el termómetro portátil conectado a ella no puede exponerse a la misma temperatura.
La temperatura ambiente también puede influir a través de la sonda
La influencia ambiental no se limita a la electrónica del termómetro.
Una sonda de termopar mide la temperatura de su propia unión sensible. La sonda solo representa con precisión la temperatura del objeto cuando existe un equilibrio térmico suficiente entre la unión y la superficie o medio medido.
Si la sonda intercambia al mismo tiempo una cantidad significativa de calor con el entorno, puede aparecer un error.
Por ejemplo, al medir una superficie metálica caliente, la unión absorbe calor de la superficie, pero también pierde calor a través del vástago y hacia el aire. Como consecuencia, la temperatura indicada puede ser inferior a la temperatura real de la superficie.
A la inversa, al medir un objeto frío, el calor del entorno puede llegar a la unión a través del aire, del vástago o de la estructura de montaje y provocar una indicación superior a la real.
Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura del objeto y la del ambiente, más importantes serán el montaje de la sonda, el área de contacto, la profundidad de inmersión y las vías de conducción térmica.
¿Por qué es más evidente la influencia ambiental al medir la temperatura del aire?
Las condiciones ambientales son especialmente importantes cuando se utilizan termopares para medir aire u otros gases.
La transferencia de calor entre el aire y una sonda suele ser más lenta que en líquidos o en mediciones por contacto directo con sólidos. Por ello, la sonda es más sensible a fuentes de calor cercanas, radiación térmica, paredes, presencia del usuario y corrientes de aire locales.
Por ejemplo, al medir aire a 25°C cerca de una máquina caliente, la sonda puede absorber radiación térmica sin tocar la máquina y alcanzar una temperatura superior a la temperatura real del aire.
Del mismo modo, si la sonda recibe directamente aire frío de una salida de climatización, la lectura puede representar la temperatura de esa corriente local en lugar de la temperatura representativa del espacio.
Una medición fiable de la temperatura del aire requiere, por tanto, tanto un instrumento térmicamente estable como una ubicación adecuada de la sonda.
¿Pueden las diferentes temperaturas a lo largo del cable del termopar provocar errores?
En condiciones ideales, si el cable del termopar es homogéneo, está en buen estado y utiliza los materiales correctos, las diferentes temperaturas a lo largo del cable no generan automáticamente un error adicional equivalente.
Sin embargo, los cables reales no son completamente ideales.
La exposición prolongada a altas temperaturas, los esfuerzos mecánicos, la oxidación, la corrosión o las inhomogeneidades del material pueden modificar localmente sus propiedades termoeléctricas.
Si una sección no homogénea del cable se encuentra dentro de un gradiente térmico importante, pueden generarse tensiones termoeléctricas adicionales que afecten al resultado.
En mediciones industriales de alta precisión, conviene evitar siempre que sea posible que cables envejecidos o dañados atraviesen zonas con fuertes gradientes térmicos.
Los conectores y puntos de conexión también deben mantenerse térmicamente estables
Los conectores, tomas y cables de extensión pueden influir en la precisión de la medición.
Los conectores adecuados para termopares se fabrican con materiales compatibles con el tipo de termopar correspondiente o con materiales que presentan propiedades termoeléctricas definidas, con el fin de reducir tensiones parásitas.
Si se utiliza cable de cobre ordinario, un tipo incorrecto de cable de termopar o conexiones innecesarias entre metales diferentes, las diferencias de temperatura entre esas uniones pueden generar errores adicionales.
Por ello, se recomienda:
● Utilizar conectores adecuados para el tipo de termopar;
● Utilizar el cable de extensión o compensación correcto;
● Evitar grandes diferencias de temperatura entre conexiones intermedias;
● Reducir los empalmes innecesarios;
● Mantener los conectores limpios, firmes y sin oxidación importante.
¿Cómo reducir los errores provocados por la temperatura ambiente?
En la mayoría de las aplicaciones de campo no es necesario eliminar todas las variaciones de temperatura ambiente. Lo importante es controlar las condiciones que puedan generar errores adicionales significativos.
● Permitir que el instrumento alcance el equilibrio térmico: después de moverlo entre entornos con temperaturas muy diferentes, debe dejarse estabilizar antes de realizar mediciones críticas.
● Evitar el calentamiento o enfriamiento localizado de los terminales: proteger la zona de entrada de la luz solar directa, corrientes de aire caliente o frío y fuentes de calor cercanas.
● Trabajar dentro del rango ambiental especificado: el cuerpo del instrumento debe mantenerse dentro de los límites indicados por el fabricante.
● Utilizar el termopar y los accesorios correctos: la sonda, los conectores, las tomas, los cables de extensión y los cables de compensación deben ser compatibles con el tipo de termopar.
● Optimizar la instalación de la sonda: asegurar buen contacto en superficies, una profundidad de inmersión adecuada en líquidos y minimizar la radiación y las corrientes de aire al medir gases.
● Evitar gradientes térmicos importantes en puntos de conexión críticos: especialmente en enchufes, terminales y uniones de transición.
● Realizar verificaciones o calibraciones periódicas: las aplicaciones de mayor precisión deben comprobar regularmente el rendimiento conjunto del instrumento y la sonda.
¿Qué cambio de temperatura ambiente requiere especial atención?
No existe un único límite aplicable a todos los termómetros de termopar.
Los instrumentos varían en el diseño de la compensación CJC, la arquitectura interna, la posición de los sensores y los métodos de compensación térmica. Por ello, deben consultarse siempre el rango de funcionamiento y las condiciones de precisión indicadas en las especificaciones.
En general, cuando los cambios son graduales, el instrumento ha alcanzado el equilibrio térmico y funciona dentro de su rango especificado, el efecto adicional de la temperatura ambiente suele ser limitado.
Se requiere mayor atención después de cambios rápidos de temperatura o cuando una parte de la zona de entrada está sometida a calentamiento o enfriamiento local mientras otra permanece a una temperatura diferente.
En calibraciones de laboratorio, investigación u otras mediciones de alta precisión, también deben considerarse el coeficiente de temperatura, la incertidumbre de la compensación de unión fría y la incertidumbre total de medición.
FAQ
¿Un cambio de 5°C en la temperatura ambiente provoca un error de medición de 5°C?
No. Los termómetros modernos de termopar utilizan compensación de unión fría para corregir las variaciones normales de temperatura ambiente. Los errores adicionales importantes aparecen principalmente cuando la compensación es insuficiente, la temperatura cambia demasiado rápido o las condiciones de medida no son adecuadas.
¿Por qué puede volverse inestable la lectura después de trasladar el termómetro del exterior al interior?
La carcasa, los terminales, la electrónica interna y el sensor CJC necesitan tiempo para alcanzar un nuevo equilibrio térmico. Durante ese periodo pueden existir gradientes térmicos temporales que provoquen deriva en la indicación.
Si la sonda puede medir temperaturas muy altas, ¿también puede exponerse el termómetro a esas temperaturas?
No necesariamente. El rango de medición de la sonda y el rango de temperatura ambiente del instrumento son especificaciones diferentes. El cuerpo del termómetro debe permanecer dentro de sus condiciones de funcionamiento especificadas.
¿Una temperatura ambiente más estable garantiza siempre una medición más precisa?
No. Un entorno estable ayuda a reducir los errores relacionados con la compensación de unión fría y los gradientes térmicos, pero la precisión total también depende del tipo de termopar, la precisión de la sonda, la instalación, el contacto, la precisión del instrumento, el envejecimiento y el estado de calibración.
Conclusión
La temperatura ambiente puede afectar a un termómetro de termopar, pero su influencia no debe interpretarse como una relación directa en la que cada grado de cambio ambiental genere el mismo cambio en la medición.
La compensación de unión fría corrige las variaciones de temperatura en los terminales, por lo que las fluctuaciones ambientales normales pueden compensarse eficazmente cuando el instrumento funciona dentro de su rango especificado y ha alcanzado el equilibrio térmico.
Los factores que requieren mayor atención son los cambios rápidos de temperatura, las diferencias térmicas locales, los gradientes alrededor de los terminales, la transferencia de calor entre la sonda y el entorno y las conexiones o cableados inadecuados.
Para obtener mediciones más estables, fiables y repetibles, conviene dejar que el instrumento se estabilice, utilizar la sonda y los accesorios correctos y controlar cuidadosamente el montaje de la sonda, las condiciones de transferencia térmica y la temperatura de los puntos de conexión.
