Introducción

Al medir temperatura con un termopar, normalmente se presta atención al tipo de termopar, la precisión del instrumento, la compensación de unión fría y la tolerancia de la sonda. Sin embargo, existe otra fuente de error importante que con frecuencia se pasa por alto: el error de conducción térmica.

Una sonda de termopar no es un punto de medición térmicamente aislado. Mientras la unión de medida absorbe o cede calor, parte de esa energía también puede transmitirse a través de la vaina metálica, los conductores del termopar, las roscas de montaje, los soportes o incluso el cable de conexión.

Si este flujo de calor es suficiente para modificar el equilibrio térmico alrededor de la unión, la temperatura detectada por el termopar puede dejar de representar fielmente la temperatura original del punto objetivo.

Este efecto puede ser especialmente relevante cuando existen grandes gradientes térmicos, poca profundidad de inserción, mediciones de gases o cuerpos de pequeño tamaño y baja masa térmica.

Puntos clave

● El error de conducción térmica aparece cuando el calor se transmite a lo largo de la sonda, la vaina o los elementos de conexión y modifica la temperatura de la unión de medida;
● Si el entorno exterior está más frío que la zona medida, el calor puede escapar por la sonda y provocar una lectura inferior; si el exterior está más caliente, puede ocurrir el efecto contrario;
● Una profundidad de inserción insuficiente, un diámetro de sonda elevado, materiales muy conductores y grandes gradientes de temperatura suelen aumentar este error;
● Las mediciones en gases suelen ser más sensibles que las realizadas en líquidos debido a que la transferencia térmica entre el gas y la sonda normalmente es menor;
● Una profundidad de inserción adecuada, una sonda de menor diámetro cuando sea técnicamente posible y una buena transferencia de calor con el medio ayudan a reducir el error;
● El error de conducción térmica es un efecto térmico asociado a la instalación y es distinto de la precisión del instrumento, la tolerancia del termopar o el error de compensación de unión fría.

¿Qué es el error de conducción térmica?

El error de conducción térmica es una desviación de medida causada por el flujo de calor a través de la sonda, la vaina, los conductores del termopar o los elementos de montaje entre la zona de medición y otra región situada a una temperatura diferente.

En condiciones ideales, la unión de medida debería alcanzar el equilibrio térmico con el medio:

Temperatura de la unión ≈ temperatura del punto medido.

En la práctica, una sonda suele conectar zonas con temperaturas muy diferentes.

Por ejemplo, si un termopar con vaina metálica se introduce en una tubería a 300 °C mientras la parte exterior de la sonda permanece a una temperatura ambiente de 25 °C, el calor no solo se transmite desde el proceso hacia la unión. Una parte también fluye a lo largo de la vaina hacia el ambiente más frío.

Si esta conducción axial es significativa, puede alterar el equilibrio térmico alrededor de la zona sensible y hacer que el termopar indique una temperatura inferior a la temperatura real del proceso.

Este fenómeno también se conoce como conducción térmica axial o derivación térmica a través de la sonda.

¿Por qué se produce el error de conducción térmica?

Siempre que existe una diferencia de temperatura dentro de un material sólido, se produce conducción térmica.

Una sonda de termopar suele estar formada por conductores termoeléctricos, material aislante, una vaina metálica y componentes mecánicos. Todos ellos poseen cierta conductividad térmica. Cuando distintas partes de la sonda se encuentran a diferentes temperaturas, el calor se desplaza a lo largo de ella.

Por ejemplo:

● Temperatura en el interior de la tubería: 400 °C;
● Temperatura ambiente exterior: 30 °C;
● Termopar introducido desde el exterior hacia el proceso.

En estas condiciones aparece un gradiente térmico importante a lo largo de la sonda. Parte del calor de la zona caliente se conduce hacia la zona más fría.

La temperatura final de la unión depende de varios mecanismos de transferencia térmica: convección entre el medio y la sonda, conducción por contacto en determinadas aplicaciones, conducción axial a través de la sonda y, en algunos casos, radiación térmica.

El error se vuelve relevante cuando el calor conducido a lo largo de la sonda deja de ser despreciable en comparación con el calor intercambiado entre la unión y el medio.

¿El error de conducción térmica siempre produce una lectura baja?

No.

La dirección del error depende de la relación de temperatura entre la zona de medición y las demás partes de la sonda.

● Si la zona medida está más caliente que el entorno exterior, el calor suele fluir hacia fuera a través de la sonda y la lectura puede resultar demasiado baja;
● Si la zona medida está más fría que el entorno exterior, el calor puede desplazarse hacia la unión y la lectura puede resultar demasiado alta.

Por ejemplo, al medir un sistema de refrigeración, parte de la sonda puede permanecer expuesta a una temperatura ambiente superior. El calor puede conducirse entonces hacia la zona fría y elevar la temperatura indicada.

Por tanto, el error de conducción térmica no debe interpretarse como un error negativo fijo. Su dirección depende principalmente del gradiente térmico existente.

¿Por qué influye la profundidad de inserción?

La profundidad de inserción es uno de los factores de instalación más importantes en los termopares de inmersión.

Cuando la inserción es escasa, la unión permanece relativamente cerca de la pared de la tubería, la carcasa o el ambiente exterior. Una parte importante de la sonda continúa situada en una zona de temperatura distinta, lo que favorece el flujo de calor axial.

Al aumentar la profundidad de inserción, la unión y una mayor longitud de la sonda quedan rodeadas por el medio del proceso. La transferencia térmica entre el medio y la sonda adquiere mayor importancia y disminuye la influencia del exterior.

En condiciones equivalentes:

● Una inserción insuficiente suele aumentar el error de conducción;
● Una profundidad adecuada suele hacer que la lectura se aproxime más a la temperatura real del proceso;
● Si al aumentar aún más la profundidad la lectura apenas cambia, es probable que la influencia de la conducción axial ya se haya reducido considerablemente.

No existe una profundidad de inserción universal para todos los termopares. Depende del diámetro, el material de la vaina, el medio, la velocidad de flujo, el gradiente de temperatura y la geometría de instalación.

¿Por qué influye el diámetro de la sonda?

El diámetro afecta tanto al tiempo de respuesta como a la capacidad de la sonda para conducir calor a lo largo de su eje.

Una vaina metálica de mayor diámetro posee una sección transversal mayor para la conducción. Por ello, con el mismo material y el mismo gradiente térmico, una sonda más gruesa puede transportar más calor axialmente.

Una sonda más fina tiene una sección de conducción menor y, por lo general, una menor masa térmica. Esto suele reducir la conducción axial y mejorar la velocidad de respuesta.

Sin embargo, elegir siempre la sonda más fina no es necesariamente correcto.

El diámetro también afecta a la resistencia mecánica, la resistencia a la presión, la resistencia a la corrosión, la vida útil y la temperatura máxima de servicio. Por tanto, la selección debe equilibrar comportamiento de medida, rapidez de respuesta y fiabilidad mecánica.

¿Por qué las mediciones de gases son más sensibles?

La transferencia de calor entre un gas y una sonda suele ser menor que entre un líquido y la misma sonda.

Cuando un termopar se introduce en un líquido, el medio puede transferir calor hacia o desde la sonda de manera relativamente eficiente, ayudando a que la unión se aproxime a la temperatura real del líquido.

En aire en reposo o gases de baja velocidad, la transferencia convectiva es considerablemente menor. Como resultado, la cantidad de calor conducida a lo largo de la sonda puede adquirir mayor importancia relativa.

En mediciones de aire y gases conviene prestar especial atención a:

● Diámetro de la sonda;
● Profundidad de inserción;
● Velocidad del gas;
● Distancia respecto a las paredes;
● Diferencia de temperatura entre la pared y el gas;
● Método de montaje.

El aumento de la velocidad de flujo suele mejorar la transferencia por convección entre el gas y la sonda y puede reducir la influencia relativa de la conducción axial.

¿Un mayor gradiente de temperatura aumenta el error?

Generalmente, sí.

La conducción térmica está impulsada por diferencias de temperatura. Cuanto mayor sea la diferencia entre distintas secciones de la sonda, mayor puede ser el flujo de calor a lo largo de ella.

Cuando se mide un objeto próximo a la temperatura ambiente en un entorno similar, el gradiente térmico a lo largo de la sonda puede ser pequeño y el error resultar poco significativo.

En cambio, si se mide un horno, una tubería o un gas a varios cientos de grados mientras la parte exterior de la sonda permanece cerca de la temperatura ambiente, se genera un gradiente importante.

Por este motivo, las mediciones a alta temperatura, baja temperatura y en entornos térmicamente no uniformes requieren especial atención al diseño y la instalación de la sonda.

¿Las mediciones de temperatura superficial también se ven afectadas?

Sí.

Al medir superficies metálicas, paredes de tuberías o placas calefactoras, el propio termopar puede convertirse en una vía adicional de transferencia térmica.

Si se coloca un termopar sobre un componente pequeño y con baja masa térmica, parte del calor puede conducirse hacia el exterior a través de la sonda.

Esto puede hacer que la unión permanezca por debajo de la temperatura original de la superficie e incluso puede modificar localmente la temperatura del objeto medido.

En mediciones de superficie conviene considerar:

● Calidad del contacto térmico;
● Presión de contacto;
● Tamaño de la sonda en relación con el objeto;
● Conducción térmica a través de la sonda;
● Pérdidas de calor al aire circundante;
● Uniformidad de temperatura de la superficie.

Estos efectos son especialmente importantes en componentes pequeños o de baja capacidad térmica.

¿Qué factores aumentan el error de conducción térmica?

Las siguientes condiciones suelen aumentar su influencia:

● Profundidad de inserción insuficiente;
● Diámetro de sonda elevado;
● Alta conductividad térmica del material de la vaina;
● Gran diferencia de temperatura entre la zona medida y el ambiente;
● Transferencia térmica débil entre el medio y la sonda;
● Baja velocidad del gas;
● Montajes metálicos de alta conductividad;
● Objetos pequeños o de baja masa térmica;
● Puntos de medida próximos a paredes o fuertes gradientes térmicos;
● Tramos largos de sonda expuestos a temperaturas muy distintas de las del punto de medida.

En la práctica, el error suele ser el resultado de varios factores relacionados con la construcción de la sonda, el montaje y las condiciones del proceso.

¿Cómo puede identificarse la influencia de la conducción térmica?

Un método práctico consiste en variar gradualmente la profundidad de inserción.

Por ejemplo, se puede medir con una inserción de 30 mm, posteriormente de 50 mm, 70 mm y mayor profundidad cuando sea posible. Si la lectura cambia claramente al aumentar la inserción y posteriormente se estabiliza, las lecturas iniciales pueden haber estado afectadas por la conducción axial o por un gradiente térmico local.

También pueden compararse sondas de diferente diámetro o construcción.

Si una sonda fina y otra más gruesa proporcionan de forma repetible temperaturas diferentes en el mismo punto nominal, conviene evaluar la conducción térmica, el tiempo de respuesta, la posición de instalación y las condiciones de transferencia de calor.

Estas comprobaciones permiten identificar posibles causas, pero no constituyen una prueba absoluta. Una variación de lectura también puede deberse a un gradiente real de temperatura en el proceso.

¿Cómo puede reducirse el error de conducción térmica?

El objetivo principal es permitir que la unión de medida alcance un equilibrio térmico adecuado con la zona objetivo y reducir al mismo tiempo la transferencia de calor hacia otras regiones a través de la sonda.

Las medidas habituales incluyen:

● Aumentar la profundidad de inserción cuando las condiciones de instalación lo permitan;
● Seleccionar una sonda de menor diámetro siempre que las exigencias mecánicas lo permitan;
● Mantener la unión alejada de paredes, carcasas y transiciones térmicas pronunciadas;
● En mediciones de gases, garantizar un flujo adecuado alrededor de la sonda;
● Evitar montajes metálicos altamente conductores que creen caminos térmicos adicionales;
● En mediciones superficiales, utilizar una sonda adecuada y asegurar un contacto térmico estable;
● En aplicaciones de alta precisión, alta o baja temperatura, comprobar la repetibilidad y comparar diferentes profundidades de inserción;
● Considerar conjuntamente el material de la vaina, el diámetro, la longitud, la geometría de instalación y las condiciones de transferencia térmica durante el diseño.

El uso de un termómetro con mayor precisión electrónica no elimina por sí solo el error de conducción térmica, ya que su origen es principalmente físico.

¿En qué se diferencia del error de precisión del termopar?

Son mecanismos de error distintos.

El error propio del termopar está relacionado principalmente con las características termoeléctricas de los materiales, la clase de tolerancia y las desviaciones respecto a la relación normalizada entre tensión termoeléctrica y temperatura.

El error de conducción térmica se origina principalmente por los intercambios de calor que aparecen una vez instalada la sonda.

Por tanto, incluso un termopar calibrado y de alta calidad puede producir una desviación significativa si la profundidad de inserción es insuficiente o si el montaje crea una vía importante de conducción térmica.

Un análisis completo del sistema de medida puede incluir:

● Tolerancia del material del termopar;
● Error del instrumento;
● Error de compensación de unión fría;
● Inhomogeneidad del termopar;
● Error de instalación y posicionamiento;
● Error dinámico debido al tiempo de respuesta;
● Error de conducción térmica.

Por este motivo, la precisión especificada del instrumento no debe considerarse equivalente a la precisión total de una medición de temperatura instalada.

FAQ

¿El error de conducción térmica significa que el termopar está defectuoso?

No. La conducción térmica es un fenómeno físico normal. Siempre que distintas zonas de una sonda se encuentren a temperaturas diferentes, puede existir flujo de calor. Lo importante es determinar si ese flujo modifica de forma significativa el equilibrio térmico de la unión.

¿Una mayor profundidad de inserción siempre es mejor?

No de forma ilimitada. Una mayor inserción suele reducir la conducción axial, pero también deben considerarse la geometría de instalación, el flujo del proceso, la resistencia mecánica, el tiempo de respuesta y la ubicación real que se desea medir.

¿Una sonda fina siempre es más precisa que una gruesa?

No. Una sonda más fina suele tener menor masa térmica y menor capacidad de conducción axial, pero la precisión real también depende de la tolerancia del termopar, la posición, la construcción, las condiciones de transferencia térmica y el entorno.

¿Las mediciones en líquidos están libres de error de conducción?

No. Los líquidos suelen proporcionar una mejor transferencia de calor que los gases, por lo que el efecto normalmente es menor. Sin embargo, una inserción insuficiente o una gran diferencia de temperatura respecto al ambiente puede seguir provocando errores importantes.

¿Por qué cambia la lectura al aumentar la profundidad de inserción?

La medición inicial puede haber estado afectada por la conducción axial. También puede existir un gradiente real de temperatura en el medio. Si la lectura se estabiliza progresivamente al aumentar la inserción, deben analizarse conjuntamente la geometría del proceso y la distribución térmica.

¿Un termómetro de termopar de alta precisión puede eliminar este error?

No. Un instrumento de alta precisión puede reducir los errores electrónicos, pero no elimina los errores térmicos derivados de la transferencia física de calor. La selección y la instalación adecuadas de la sonda siguen siendo esenciales.

Conclusión

El error de conducción térmica es una fuente importante de desviación en las mediciones con termopares y, en muchas aplicaciones, puede pasar inadvertido.

Cuando existe una diferencia significativa de temperatura entre la zona de medición y otras partes de la sonda, el calor puede propagarse a través de los conductores, la vaina metálica o los elementos de montaje y modificar la temperatura de la unión.

La magnitud de este efecto depende del gradiente térmico, la profundidad de inserción, el diámetro de la sonda, el material de la vaina, el medio, la velocidad de flujo y la geometría de instalación.

En mediciones industriales, especialmente a altas o bajas temperaturas, en gases, sobre superficies o en aplicaciones que requieren elevada exactitud, no es suficiente considerar únicamente la precisión nominal del termopar y del instrumento. Una selección adecuada de la sonda, una profundidad de inserción suficiente, una buena transferencia térmica con el medio y la reducción de la conducción axial son fundamentales para obtener una temperatura que represente con mayor fidelidad el punto real de medida.