Introducción

En una instalación de medida con termopares, la sonda suele encontrarse a cierta distancia del termómetro, sistema de adquisición de datos, transmisor de temperatura o controlador de proceso. Por este motivo se necesita un cable adecuado para llevar la señal del termopar hasta el instrumento.

Los dos términos más habituales son cable de extensión para termopar y cable de compensación para termopar.

Ambos permiten prolongar el circuito de medida, pero la diferencia principal se encuentra en los materiales conductores y en sus propiedades termoeléctricas. El cable de extensión suele utilizar aleaciones iguales o termoeléctricamente equivalentes a las del termopar correspondiente. El cable de compensación puede utilizar aleaciones completamente diferentes, siempre que reproduzcan de forma suficientemente similar el comportamiento termoeléctrico del termopar dentro de un rango de temperatura especificado.

Por tanto, estos cables no deben considerarse cables eléctricos convencionales ni utilizarse indistintamente entre distintos tipos de termopar.

Puntos clave

● Los cables de extensión y de compensación permiten prolongar la conexión entre el termopar y el instrumento de medida;
● El cable de extensión utiliza generalmente las mismas aleaciones o materiales termoeléctricamente equivalentes a los del termopar correspondiente;
● El cable de compensación utiliza normalmente aleaciones diferentes que reproducen las características termoeléctricas del termopar solo dentro de un rango de temperatura definido;
● El cable de extensión suele reproducir con mayor fidelidad el comportamiento del termopar original, aunque su coste puede ser superior;
● El cable de compensación suele ser una solución más económica para largas distancias, siempre que se utilice dentro de su rango de temperatura especificado;
● En ambos casos, el cable debe corresponder al tipo de termopar y respetar correctamente la polaridad positiva y negativa;
● Un cable de cobre convencional no debe utilizarse como sustituto directo, ya que las uniones metálicas adicionales pueden generar tensiones termoeléctricas parásitas y provocar errores de medida.

¿Por qué no se debe prolongar un termopar simplemente con cable de cobre?

Un termopar no mide la temperatura a partir de una variación de resistencia eléctrica. Su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck.

Cuando dos metales diferentes forman un circuito y existe una diferencia de temperatura entre las uniones relevantes, se genera una pequeña tensión termoeléctrica. El instrumento calcula la temperatura a partir de esa señal junto con la compensación de unión fría.

Si se introduce arbitrariamente cobre u otro metal diferente en el circuito, se crean nuevas uniones metálicas. Si estas uniones se encuentran a temperaturas diferentes, pueden generar tensiones termoeléctricas adicionales.

Por ejemplo, si un termopar tipo K se conecta directamente a conductores de cobre y ambos puntos de transición permanecen exactamente a la misma temperatura, el error adicional puede ser reducido. Sin embargo, en una instalación industrial real es difícil garantizar que ambas uniones permanezcan siempre isotérmicas.

Cerca de armarios eléctricos, paredes de hornos, maquinaria o zonas con gradientes térmicos importantes, estas tensiones adicionales pueden convertirse en errores medibles de temperatura.

Por este motivo, el circuito debe prolongarse normalmente mediante cable de extensión o de compensación adecuado al tipo de termopar.

¿Qué es un cable de extensión para termopar?

El cable de extensión para termopar también puede denominarse hilo de extensión para termopar.

Sus conductores positivo y negativo suelen estar fabricados con aleaciones iguales o termoeléctricamente equivalentes a las del termopar correspondiente.

Por ejemplo, en un termopar tipo K, el cable de extensión utiliza materiales seleccionados para mantener las características termoeléctricas asociadas a ese tipo.

Su función no es convertir toda la longitud del cable en un sensor apto para alta temperatura. Su objetivo es prolongar el circuito desde la sonda hasta el termómetro, el sistema de adquisición, el transmisor o una ubicación donde pueda gestionarse correctamente la unión de referencia.

Incluso cuando los materiales son termoeléctricamente equivalentes, la temperatura admisible del cable de extensión suele ser inferior al rango de medida del termopar. El aislamiento, la clase del conductor y la construcción del cable están diseñados principalmente para transmitir la señal, no para exponerse directamente a la máxima temperatura de medida.

¿Qué es un cable de compensación para termopar?

El cable de compensación también puede denominarse hilo de compensación.

A diferencia del cable de extensión, sus conductores no tienen necesariamente la misma composición que los elementos del termopar.

En su lugar, se emplean aleaciones más económicas y prácticas que reproducen de forma suficientemente próxima el comportamiento termoeléctrico del termopar objetivo dentro de un rango de temperatura definido.

Esto significa que el cable de compensación no reproduce las características del termopar en todo su rango de medida. Solo proporciona una aproximación controlada dentro de unos límites de utilización establecidos.

Esta solución resulta especialmente útil en instalaciones industriales con largos recorridos de cable, ya que permite reducir el coste de instalación manteniendo las prestaciones de medida necesarias.

Si se utiliza fuera de su rango de temperatura especificado, la diferencia entre su comportamiento termoeléctrico y el del termopar puede aumentar y generar un error de medida mayor.

Principales diferencias entre el cable de extensión y el cable de compensación

La diferencia fundamental se encuentra en los materiales conductores y en la forma de obtener las características termoeléctricas necesarias.

Por tanto, la selección no debe realizarse únicamente por el diámetro, el aspecto exterior o el tipo de conector.

¿Por qué el cable de extensión se aproxima más al termopar original?

La señal de un termopar depende del comportamiento termoeléctrico de metales diferentes sometidos a un gradiente de temperatura.

Cuando el cable de extensión utiliza los mismos materiales o materiales termoeléctricamente muy similares, se mantiene una continuidad más fiel de esas características a lo largo del circuito.

Incluso si existe cierta variación de temperatura en la unión entre el termopar y el cable de extensión, el efecto adicional puede mantenerse dentro de los límites especificados si el tipo de cable y la polaridad son correctos.

El cable de compensación, en cambio, utiliza otra combinación de aleaciones para aproximarse al comportamiento del termopar. Esta equivalencia suele ser válida únicamente dentro de un rango de temperatura determinado.

Mientras los puntos de transición y el entorno del cable permanezcan dentro de ese rango, la medida puede ser fiable. Fuera de él, la diferencia respecto al termopar original puede aumentar.

¿Por qué se utilizan cables de compensación?

Si el cable de extensión reproduce mejor el comportamiento termoeléctrico del termopar, ¿por qué se utilizan cables de compensación?

Una de las razones principales es el coste.

Algunos termopares utilizan aleaciones relativamente costosas. En determinadas aplicaciones, especialmente con termopares de metales nobles, utilizar materiales equivalentes a lo largo de decenas o cientos de metros elevaría considerablemente el coste de instalación.

En una instalación real, normalmente solo el extremo sensible del termopar se encuentra expuesto a la alta temperatura del proceso. Cuando el cable sale de la zona caliente, la temperatura ambiente suele ser mucho menor.

En esas zonas, un cable de compensación correctamente seleccionado puede mantener las prestaciones necesarias y reducir el coste total de cableado.

Por ello se utiliza ampliamente en hornos industriales, equipos de tratamiento térmico, calderas, procesos químicos, sistemas de control de procesos y grandes líneas de producción.

Cada tipo de termopar necesita el cable correspondiente

Los termopares tipo K, J, T, E, N, R y S utilizan diferentes combinaciones metálicas y presentan relaciones específicas entre tensión termoeléctrica y temperatura.

Por tanto, no pueden utilizar todos el mismo cable de extensión o de compensación.

En muchos sistemas de designación, la letra X se utiliza habitualmente para identificar cables de extensión, como KX, JX o TX. Algunas designaciones de cables de compensación incorporan la letra C, como KCA o KCB, dependiendo del sistema de clasificación aplicable.

La selección debe basarse siempre en el marcado del cable, la documentación del fabricante y la especificación técnica correspondiente.

El color del aislamiento puede facilitar la identificación en campo, pero no debe utilizarse como único criterio, ya que las convenciones pueden variar entre regiones, sistemas normativos y fabricantes.

¿Por qué es importante el rango de temperatura del cable?

Las características de los cables de extensión y de compensación se definen para unos límites de temperatura concretos.

Esto es especialmente importante en los cables de compensación, cuya correspondencia termoeléctrica con el termopar solo se garantiza dentro de un rango especificado.

Si un cable diseñado para temperaturas moderadas se instala directamente sobre la pared de un horno, un equipo calefactor u otra zona que supere su límite, el problema no se limita al aislamiento. Sus características termoeléctricas también pueden quedar fuera de tolerancia.

Las posibles consecuencias incluyen:
● Desviación sistemática de la temperatura indicada;
● Deriva de la lectura cuando cambia la temperatura ambiente;
● Diferentes errores durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento;
● Resultados aceptables durante la calibración, pero desviaciones importantes después de la instalación.

Por este motivo, deben verificarse tanto el rango de temperatura admisible desde el punto de vista termoeléctrico como la temperatura máxima del aislamiento.

Son dos especificaciones diferentes.

¿Qué ocurre si se invierte la polaridad?

Los cables de extensión y de compensación disponen de un conductor positivo y otro negativo claramente definidos.

Si se invierten, la tensión termoeléctrica generada por la parte prolongada del circuito actúa en sentido contrario.

El error resultante depende de la diferencia de temperatura entre el punto de transición y el extremo conectado al instrumento. Puede ser pequeño cuando la diferencia térmica es reducida, pero aumentar considerablemente con gradientes más elevados.

Este problema no siempre resulta evidente, porque el instrumento puede seguir mostrando una temperatura aparentemente razonable.

Durante la instalación deben comprobarse:
● El tipo correcto de termopar;
● El tipo correcto de cable de extensión o compensación;
● Positivo conectado con positivo;
● Negativo conectado con negativo;
● Ausencia de uniones metálicas inadecuadas;
● Configuración correcta del tipo de termopar en el instrumento.

¿Una mayor longitud de cable siempre provoca más error?

No necesariamente.

El termopar se basa en la tensión termoeléctrica y no en una determinación de temperatura basada principalmente en la resistencia de los conductores. Por tanto, un cable correctamente especificado no introduce automáticamente un error fijo de temperatura por cada metro adicional.

Si el tipo de cable y la polaridad son correctos, las conexiones son fiables y se respeta el rango de temperatura permitido, pueden utilizarse recorridos largos con buenos resultados.

Sin embargo, al aumentar la longitud también pueden adquirir mayor importancia otros factores:
● Mayor resistencia de los conductores;
● Mayor susceptibilidad a interferencias electromagnéticas;
● Mayor número de puntos de conexión;
● Mayor riesgo de envejecimiento del aislamiento;
● Mayor sensibilidad a diferencias de potencial de tierra y señales en modo común;
● Interferencias por instalación paralela a cables de potencia.

Por ello, las instalaciones largas requieren una planificación adecuada del apantallamiento, la puesta a tierra, el recorrido del cable y la calidad de las conexiones.

¿Cuándo puede utilizarse cobre en un sistema de medida con termopar?

El cobre no está completamente excluido de un sistema de medida con termopar. La cuestión clave es dónde se realiza la transición entre los materiales del termopar y el cobre, y si la temperatura de ese punto está controlada.

Los termómetros, sistemas de adquisición de datos y transmisores de temperatura modernos suelen incorporar compensación de unión fría en sus terminales de entrada.

Por ello, el cable de extensión o de compensación debería llegar hasta la entrada específica para termopar del instrumento.

A partir de ese punto, el equipo puede utilizar conductores de cobre y circuitos electrónicos internamente, ya que mide la temperatura de la unión de referencia y compensa la señal del termopar.

Los problemas suelen aparecer cuando se cambia a cobre demasiado pronto en una ubicación de campo sometida a un gradiente térmico desconocido o variable.

La regla más precisa es: la transición entre los materiales del termopar y el cobre debe realizarse en una unión de referencia cuya temperatura pueda ser compensada correctamente por el sistema de medida.

¿Cómo seleccionar un cable de extensión o de compensación?

Durante la selección conviene verificar los siguientes aspectos.

● Tipo de termopar: identificar si se utiliza un tipo K, J, T, E, N, R, S u otro;
● Clase de cable: elegir extensión o compensación según la precisión requerida, la temperatura y el diseño del sistema;
● Temperatura ambiente: comprobar tanto el rango termoeléctrico permitido como la temperatura máxima del aislamiento;
● Longitud del cable: en recorridos largos considerar la resistencia, la inmunidad a interferencias y la resistencia mecánica;
● Material de aislamiento: seleccionar PVC, fibra de vidrio, PTFE, silicona u otro material adecuado al entorno;
● Apantallamiento: prestar especial atención a las interferencias cerca de variadores de frecuencia, motores, sistemas de calefacción de alta potencia y cables de alimentación;
● Entorno mecánico: maquinaria móvil, cadenas portacables, vibraciones e instalaciones fijas requieren diferentes niveles de flexibilidad y resistencia;
● Identificación de polaridad: verificar colores, marcados de terminales y polaridad antes de la instalación.

¿Cuándo es más adecuado utilizar un cable de extensión?

El cable de extensión suele ser preferible cuando se requiere una elevada precisión o cuando se desea que el circuito prolongado mantenga características termoeléctricas lo más próximas posible a las del termopar original.

Aplicaciones habituales:
● Medida de temperatura en laboratorio;
● Equipos de calibración y verificación;
● Bancos de ensayo y sistemas de I+D;
● Supervisión precisa de procesos industriales;
● Conexión entre termopares y sistemas de adquisición de datos;
● Instalaciones en las que la zona de conexión presenta cierta variación térmica.

La selección final debe realizarse siempre de acuerdo con el tipo de termopar, la precisión requerida, la clase de cable y las condiciones del sistema.

¿Cuándo puede utilizarse un cable de compensación?

El cable de compensación es especialmente adecuado para recorridos largos cuando la temperatura del entorno del cable permanece dentro del rango de compensación especificado.

Aplicaciones típicas:
● Hornos industriales y equipos de tratamiento térmico;
● Supervisión de calderas;
● Equipos de procesos químicos;
● Sistemas HVAC y grandes instalaciones electromecánicas;
● Armarios de control industrial;
● Control de temperatura en líneas de producción;
● Sistemas de adquisición multicanal;
● Automatización industrial con grandes distancias de cableado fijo.

En estas aplicaciones, un cable de compensación correctamente seleccionado permite equilibrar las prestaciones de medida y el coste de instalación.

FAQ

¿Un cable de extensión y un cable de compensación son lo mismo?
No. Ambos prolongan el circuito del termopar, pero el cable de extensión utiliza normalmente materiales iguales o termoeléctricamente equivalentes, mientras que el cable de compensación emplea otras aleaciones cuya equivalencia solo se garantiza dentro de un rango de temperatura definido.

¿Se puede utilizar cable de extensión tipo J con un termopar tipo K?
No. Cada tipo de termopar presenta una relación tensión-temperatura diferente y requiere el cable correspondiente.

¿Puede conectarse un termopar directamente a cable de cobre convencional?
No se recomienda realizar esta transición en una ubicación de campo no controlada. Si las uniones de cobre se encuentran a temperaturas diferentes, pueden generarse tensiones termoeléctricas adicionales. El cable específico debe llegar normalmente hasta la entrada del instrumento donde se realiza la compensación de unión fría.

¿El cable de compensación reduce la precisión del termopar?
Si se selecciona correctamente, se conecta con la polaridad adecuada y se utiliza dentro de su rango especificado, puede cumplir las tolerancias previstas. Un tipo de cable incorrecto, una polaridad invertida o una temperatura excesiva pueden producir errores importantes.

¿Puede instalarse un cable de extensión directamente dentro de un horno de alta temperatura?
Normalmente no. Está diseñado para prolongar el circuito de medida, y su aislamiento y sus conductores no tienen por qué soportar las mismas temperaturas que el elemento sensor.

¿Se pueden combinar cables de extensión y de compensación?
Es posible realizar transiciones en sistemas correctamente diseñados, siempre que se respeten las propiedades termoeléctricas, la polaridad y los límites de temperatura. Conviene minimizar los puntos de unión innecesarios.

¿Cómo se puede identificar si un cable es de extensión o de compensación?
La forma más fiable es comprobar la designación del cable, el tipo de termopar, la clase indicada y la documentación del fabricante. El color del aislamiento no debe utilizarse como único criterio.

¿La longitud del cable afecta a la precisión de un termopar?
Un cable correctamente especificado no genera un error fijo simplemente por ser más largo. Sin embargo, las distancias mayores pueden aumentar la resistencia, las interferencias electromagnéticas y los riesgos asociados a las conexiones, por lo que el recorrido, el apantallamiento y la puesta a tierra siguen siendo importantes.

Conclusión

Los cables de extensión y de compensación cumplen la misma función general: transportar la pequeña tensión termoeléctrica desde el punto de medida hasta el termómetro, transmisor de temperatura, sistema de adquisición de datos o controlador de proceso.

La diferencia fundamental no está solo en el nombre, sino en los materiales conductores y en la forma de reproducir las características termoeléctricas necesarias.

El cable de extensión utiliza normalmente materiales iguales o termoeléctricamente equivalentes a los del termopar correspondiente y, por tanto, sigue más fielmente su comportamiento. El cable de compensación utiliza una combinación diferente de materiales diseñada para reproducir las características requeridas dentro de un rango de temperatura limitado, lo que lo convierte en una solución económica para numerosas instalaciones industriales de larga distancia.

Sea cual sea el cable seleccionado, deben comprobarse el tipo de termopar, la clase del cable, la temperatura admisible, la polaridad, el aislamiento y las condiciones de instalación. En recorridos largos también deben tenerse en cuenta el apantallamiento, la puesta a tierra, las interferencias electromagnéticas y la calidad de las conexiones.

Una medición fiable con termopares depende del conjunto completo: sensor correcto, cable de extensión o compensación adecuado y compensación de unión fría correctamente realizada. Un error en cualquiera de estos elementos puede manifestarse directamente como un error de temperatura.