Introducción
Un termopar es un sensor de temperatura basado en el efecto termoeléctrico. Cuando dos conductores metálicos diferentes forman un circuito de termopar y sus uniones se encuentran a distintas temperaturas, se genera una tensión termoeléctrica. Por este motivo, un termopar no mide directamente la temperatura absoluta de un único punto, sino que responde a la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia.
En la práctica, los conductores del termopar suelen conectarse a un termómetro, un sistema de adquisición de datos, un controlador u otro instrumento de medición. La temperatura en ese punto de conexión no permanece constante. Si el instrumento no tiene en cuenta las variaciones de temperatura de la unión de referencia, el valor calculado puede presentar un error adicional.
Por ello, la mayoría de los instrumentos modernos para termopares incorporan compensación de unión fría (Cold Junction Compensation, CJC). El instrumento mide la temperatura cerca de la unión de referencia y la incorpora al cálculo de la temperatura.
Puntos clave
● La tensión de un termopar depende de la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia, no únicamente de la temperatura de medición.
● La compensación de unión fría corrige el efecto de los cambios de temperatura en la conexión de entrada del termopar.
● Los termómetros digitales modernos para termopares suelen realizar la CJC automáticamente mediante un sensor de temperatura interno.
● La precisión, la ubicación y el acoplamiento térmico del sensor CJC, junto con la estabilidad térmica interna del instrumento, influyen en el resultado final.
● La CJC no puede eliminar los errores provocados por el propio termopar, la instalación, el cableado, las condiciones ambientales o la precisión del instrumento.
¿Por qué necesitan los termopares compensación de unión fría?
Un termopar está formado por dos conductores diferentes. Cuando la unión de medición se encuentra a una temperatura T₁ y la unión de referencia a una temperatura T₂, se genera una determinada tensión termoeléctrica.
La relación básica puede entenderse de la siguiente manera:
Salida del termopar = tensión termoeléctrica correspondiente a la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia
Por ejemplo, si la unión de medición se encuentra a una temperatura elevada y la conexión al instrumento está aproximadamente a temperatura ambiente, la tensión recibida por el instrumento representa la relación termoeléctrica entre ambas temperaturas.
Si cambia la temperatura de la unión de referencia mientras la temperatura real del objeto permanece constante, la tensión del termopar también puede variar.
Por tanto, si el instrumento convirtiera directamente la tensión del termopar en temperatura sin considerar la temperatura de referencia, el resultado podría ser incorrecto.
La CJC determina la temperatura real de la unión de referencia e incorpora su efecto al cálculo.
¿Qué es la “unión fría” de un termopar?
“Unión fría” es un término tradicional utilizado en termopares. Desde un punto de vista técnico, unión de referencia es una denominación más precisa.
La unión fría no tiene por qué estar realmente fría.
Por ejemplo, si la unión de medición está a 500 °C y la entrada del instrumento a 25 °C, la unión de referencia sí es más fría. Sin embargo, si se mide una temperatura de −50 °C mientras el instrumento se encuentra a 20 °C, la denominada unión fría está en realidad a una temperatura superior a la unión de medición.
Por este motivo, “unión de referencia” describe mejor su función.
En un termómetro digital para termopares, la unión de referencia suele estar asociada al conector del termopar, los terminales de entrada o el punto de transición entre los materiales del termopar y los conductores internos del instrumento.
¿Cómo funciona la compensación de unión fría?
Los instrumentos digitales modernos normalmente no mantienen físicamente la unión de referencia a 0 °C. En su lugar, utilizan compensación electrónica.
Un proceso CJC típico puede resumirse así:
● El termopar genera una señal de nivel de milivoltios correspondiente a la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia.
● Un sensor de temperatura interno mide la temperatura cerca de los terminales de entrada del termopar.
● El instrumento calcula la tensión termoeléctrica equivalente correspondiente a esa temperatura de referencia para el tipo de termopar seleccionado.
● Esta tensión equivalente se combina con la tensión realmente medida del termopar.
● Finalmente, el resultado se convierte en temperatura utilizando la relación tensión-temperatura característica del tipo de termopar seleccionado.
Por tanto, la CJC no consiste simplemente en “sumar la temperatura ambiente” al valor mostrado. El instrumento debe realizar la conversión termoeléctrica correspondiente según la curva característica del termopar.
¿Por qué se utiliza tradicionalmente 0 °C como temperatura de referencia?
Las relaciones tensión-temperatura de los termopares se definen tradicionalmente respecto a una unión de referencia a 0 °C.
En las mediciones clásicas de laboratorio, la unión de referencia puede introducirse en una mezcla estable de hielo y agua para mantener una temperatura cercana a 0 °C. Esto proporciona una referencia conocida y reproducible.
Sin embargo, mantener una referencia mediante baño de hielo resulta poco práctico en termómetros portátiles, controladores industriales y sistemas de adquisición de datos.
Los instrumentos modernos utilizan por ello compensación electrónica de unión fría. Miden la temperatura real de la unión de referencia y convierten matemáticamente la señal al valor equivalente que correspondería a una referencia de 0 °C.
De esta forma, los instrumentos para termopares pueden utilizarse directamente en condiciones normales de campo e industriales.
¿Cómo mide un termómetro de termopar la temperatura de la unión fría?
Un termómetro digital para termopares suele incorporar un sensor de temperatura independiente cerca de la entrada del termopar.
Según el diseño del instrumento, puede utilizarse un termistor, un sensor semiconductor de temperatura u otro elemento de detección térmica.
Idealmente, el sensor CJC debe medir una temperatura que represente lo mejor posible la temperatura real en el punto de transición entre los conductores del termopar y los conductores de cobre del instrumento.
Por ello, el sensor CJC suele colocarse cerca de los terminales de entrada y diseñarse para conseguir un buen acoplamiento térmico.
Si la temperatura medida por el sensor CJC difiere de la temperatura real de la unión de referencia, puede generarse un error de compensación adicional.
¿Afecta la CJC a la precisión de un termómetro de termopar?
Sí.
El error total de un sistema de medición con termopar suele estar formado por varios componentes, y el error de CJC es uno de ellos.
Por ejemplo:
● El propio termopar tiene una tolerancia especificada.
● El circuito de medición de milivoltios del instrumento presenta su propio error.
● La linealización y la conversión de temperatura introducen incertidumbre adicional.
● El sensor de temperatura utilizado para la CJC tiene sus propios límites de precisión.
● Puede existir una diferencia de temperatura entre el sensor CJC y la unión de referencia real.
Por este motivo, dos termómetros conectados al mismo termopar pueden mostrar valores ligeramente diferentes debido a diferencias en el diseño de la CJC, los circuitos de entrada, la calibración o las condiciones térmicas internas.
Para aplicaciones de mayor precisión, debe evaluarse la incertidumbre del sistema completo de medición y no únicamente la especificación del termopar.
¿Cuándo puede aumentar el error de CJC?
La compensación de unión fría suele ofrecer mejores resultados cuando el instrumento se encuentra térmicamente estable. Si aparece un gradiente de temperatura importante alrededor de los terminales de entrada, el error de CJC puede aumentar.
Algunas situaciones habituales son:
● El termómetro acaba de trasladarse de un entorno exterior frío a una sala caliente.
● El instrumento permanece expuesto a la luz solar directa durante un periodo prolongado.
● El termómetro se encuentra cerca de un horno, calefactor, salida de aire caliente u otra fuente de calor.
● La temperatura del conector del termopar difiere considerablemente de la temperatura de la entrada del instrumento.
● Se genera calentamiento interno en un sistema de adquisición de datos multicanal.
● El instrumento acaba de encenderse y todavía no ha alcanzado el equilibrio térmico.
● Una zona del conector de entrada recibe directamente aire caliente o frío.
En estas condiciones, el sensor CJC puede no representar temporalmente con precisión la temperatura real de la unión de referencia.
Después de un cambio importante de temperatura ambiental, permitir que el instrumento alcance la estabilidad térmica puede mejorar la fiabilidad de la medición.
¿Qué diferencia hay entre la temperatura CJC y la temperatura ambiente?
Están relacionadas, pero no son necesariamente iguales.
La temperatura ambiente suele referirse a la temperatura del aire que rodea al instrumento. La CJC, en cambio, necesita conocer la temperatura en la ubicación real de la unión de referencia del termopar.
Por ejemplo, la temperatura de una sala puede ser de 25 °C, pero si el instrumento está expuesto a radiación solar directa, la zona de sus terminales de entrada puede alcanzar 30 °C o más.
Si el instrumento utilizara simplemente 25 °C como temperatura de referencia, podría introducirse un error adicional.
Por ello, un termómetro de termopar bien diseñado mide la temperatura lo más cerca posible de la conexión del termopar en lugar de utilizar únicamente un valor general de temperatura ambiente.
¿Es igual la CJC para diferentes tipos de termopar?
El principio básico es el mismo, pero el cálculo de compensación depende del tipo de termopar.
Los termopares K, J, T, E y otros utilizan diferentes combinaciones de materiales y, por tanto, tienen distintas relaciones tensión-temperatura.
El instrumento debe conocer tanto la temperatura de la unión de referencia como el tipo de termopar conectado. A continuación utiliza la relación característica correspondiente para realizar la compensación y la linealización.
Por esta razón, los instrumentos compatibles con varios tipos de termopar suelen requerir que el usuario seleccione correctamente K, J, T, E u otro tipo.
Si se conecta un termopar tipo K pero el instrumento está configurado como tipo J, el valor de temperatura será incorrecto incluso aunque la CJC funcione correctamente.
¿Puede la CJC corregir errores causados por cables de extensión y conectores?
No en todos los casos.
La compensación de unión fría está destinada a corregir el efecto de la temperatura de la unión de referencia. Los materiales utilizados en todo el circuito de medición deben seguir siendo compatibles con el tipo de termopar seleccionado.
Extender incorrectamente un termopar con cable de cobre convencional, o utilizar conectores, cables de compensación o cables de extensión incompatibles, puede crear uniones termoeléctricas no deseadas.
Los errores producidos por estas incompatibilidades de materiales no pueden eliminarse simplemente mediante CJC.
Por tanto, deben utilizarse conectores y cables de compensación o extensión adecuados para el tipo de termopar, respetando además la polaridad correcta.
¿Por qué puede medir mal un termopar aunque disponga de CJC?
La compensación de unión fría es solo una parte de la cadena de medición y no puede corregir todas las fuentes de error.
También deben considerarse los siguientes aspectos:
● Si se ha seleccionado correctamente el tipo de termopar en el instrumento.
● Si la sonda es adecuada para el rango de temperatura requerido.
● Si el termopar se mantiene dentro de su tolerancia especificada.
● Si existe un contacto térmico suficiente entre la sonda y el objeto medido.
● Si la unión de medición ha alcanzado realmente la temperatura del objeto.
● Si el cableado, los conectores y la polaridad son correctos.
● Si el instrumento funciona dentro de las condiciones ambientales especificadas.
● Si se ha permitido un tiempo de estabilización suficiente después de un cambio de temperatura.
Una CJC precisa, por tanto, no garantiza por sí sola la precisión de todo el sistema de medición.
¿Cómo se pueden reducir los errores de compensación de unión fría?
Las siguientes prácticas pueden mejorar la estabilidad de la medición:
● Mantener los terminales de entrada del instrumento alejados de fuentes de calor intensas, corrientes directas de aire frío y radiación solar directa.
● Después de trasladar el instrumento entre entornos con temperaturas muy diferentes, permitir que alcance la estabilidad térmica antes de realizar mediciones de precisión.
● Utilizar conectores y cables de extensión compatibles con el tipo de termopar seleccionado.
● Asegurarse de que el conector del termopar esté firmemente conectado al instrumento.
● Evitar que conectores de termopar calientes permanezcan apoyados directamente sobre superficies de equipos a alta temperatura.
● En aplicaciones de precisión, evaluar la incertidumbre combinada del termopar, el instrumento, la CJC y el método de instalación.
● Comprobar o verificar periódicamente el rendimiento de medición tanto del instrumento como de la sonda de termopar.
FAQ
¿La “unión fría” siempre debe estar más fría que la unión de medición?
No. “Unión fría” es un término tradicional. “Unión de referencia” es técnicamente más preciso. Puede estar tanto por debajo como por encima de la temperatura de la unión de medición.
¿Todos los termómetros de termopar incorporan CJC?
La mayoría de los termómetros digitales modernos, sistemas de adquisición de datos y controladores de temperatura para termopares incorporan compensación de unión fría, aunque su implementación y precisión dependen de las especificaciones del equipo.
¿La CJC simplemente suma la temperatura ambiente a la lectura del termopar?
No. El instrumento normalmente convierte la temperatura de la unión de referencia en la tensión termoeléctrica equivalente para el tipo de termopar seleccionado y después realiza el cálculo y la linealización correspondientes.
¿Dónde está situado el sensor CJC?
Normalmente se encuentra cerca de los terminales o del conector de entrada del termopar para representar lo mejor posible la temperatura real de la unión de referencia.
¿Pueden afectar los cambios de temperatura ambiente a la CJC?
Sí. Los cambios rápidos de temperatura, así como el calentamiento o enfriamiento localizado, pueden crear temporalmente una diferencia de temperatura entre el sensor CJC y la unión de referencia real.
¿Qué magnitud puede tener un error de CJC?
Depende de la precisión de la detección de temperatura CJC, el tipo de termopar, el diseño del instrumento y las condiciones de funcionamiento. Para mediciones de precisión deben consultarse las especificaciones del equipo relativas a la precisión CJC o a la precisión total de medición con termopar.
¿Sigue siendo necesaria la CJC cuando se utiliza cable de extensión para termopar?
Sí. Un cable de extensión adecuado mantiene las características termoeléctricas correctas del circuito, pero no elimina la necesidad de compensar la unión de referencia en la entrada del instrumento.
¿Puede utilizarse el mismo sensor CJC con diferentes tipos de termopar?
Sí. El sensor físico utilizado para medir la temperatura de referencia puede ser el mismo, pero el cálculo de compensación debe realizarse de acuerdo con las características del termopar K, J, T, E o del tipo seleccionado.
Conclusión
La compensación de unión fría (CJC) es una función fundamental en los sistemas modernos de medición con termopares. Debido a que la tensión de un termopar depende de la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia, el instrumento debe conocer la temperatura real de la unión de referencia para calcular correctamente la temperatura de medición.
Los termómetros digitales modernos suelen utilizar un sensor situado cerca de los terminales de entrada para medir la temperatura de referencia y, posteriormente, aplicar la compensación de acuerdo con la relación tensión-temperatura del tipo de termopar seleccionado.
Sin embargo, la CJC es solo una parte del sistema completo. La precisión de la sonda, el cableado, el circuito de entrada, la instalación, las condiciones ambientales y la estabilidad térmica también pueden afectar al resultado final.
En aplicaciones que requieren una mayor precisión, el termopar, el instrumento, la compensación de unión fría y la instalación deben evaluarse conjuntamente como un sistema de medición completo.
