Termopar: ¿Qué es y para qué sirve?

Introducción.

La temperatura es una de las variables más importantes a controlar y conocer en un proceso industrial.

Aunque no hace falta pensar en entornos específicamente industriales. En nuestro día a día nos encontramos con multitud de situaciones en las que se realizan mediciones de temperatura.

En nuestros coches, tanto la temperatura del motor como la del habitáculo.

En los electrodomésticos de nuestras casas: lavadora, frigorífico, lavaplatos, etc.

En las oficinas donde trabajamos.

Conocer la temperatura nos permite poder realizar acciones que nos aseguren que los procesos son repetibles y que transcurren en óptimas condiciones.

Aunque uno de los mayores beneficios de conocer la temperatura de un proceso es poder prevenir accidentes.

Si en un sistema la temperatura comienza a ascender por encima de unos niveles, nos avisa con antelación que algo no está funcionando como debe y nos permite parar con seguridad.

Por ello, en un proceso industrial, la temperatura es una de las variables más utilizadas para prevenir riesgos y accidentes.

Hay muchos métodos para conocer la temperatura. Dependiendo de las características y del rango de temperaturas se usa un método u otro.

No se puede usar lo mismo para medir la temperatura de una habitación que la temperatura de una colada de acero.

Pero hay dos tipos de instrumentos que suelen ser los más utilizados en la industria.

• Los termopares o termocuplas.
• Los RTD (PT100)

Los anteriores instrumentos te los encontrarás con total seguridad en la mayoría de las instalaciones de procesos.

En este post nos centraremos en los termopares: En que se basa su principio de funcionamiento, como se realiza el montaje, su cableado, cómo se conectan a las cartas de los PLC y su configuración en Tia Portal.

Termopar

Principios básicos de funcionamiento.

Una termocupla está formado por la unión de dos metales diferentes unidos eléctricamente.

Esa unión (junta caliente) genera una tensión que es proporcional a la temperatura. En los puntos donde se mide la diferencia de tensión se le llama junta fría.

 

La tensión que se genera es muy baja, del orden de microvoltios. Pero suficiente para poder medirla y relacionarla con la temperatura.

Tipos de termopares.

Los tipos de termopares se basan en los diferentes pares de metales que lo componen.

Para cada combinación, para cada par de metales, se ha normalizado y estandarizado la designación de un tipo de termopar con una letra.

Que cada tipo esté normalizado nos permite conocer las características o prestaciones de cada uno de ellos (rangos de medida, exactitud, tolerancias, etc.) así como el código de los colores para sus cables y conectores.

En la siguiente tabla vemos diferentes tipos de termopares y su combinación de metales.

 

Tipo	Cable Positivo	Cable Negativo
T	Cobre	Constatan
J	Hierro	Constatan
E	Cromel	Constatan
K	Cromel	Alumel
N	Nicrosil	Nisil
S	Platino-10% rodio	Platino

 

Cada uno de estos tipos presenta unas cualidades y características diferentes:

• Rango de temperaturas de medida.
• Precisión.
• Linealidad de la medida.
• Resistencia a la corrosión en el ambiente de la instalación.
• Coste

Por tanto, la elección de un tipo u otro depende directamente de los requerimientos de la instalación o servicio que se quiera medir su temperatura.

En la siguiente tabla se vemos más detalles de las características de tres tipos de termopares.

 

Tipo	Rango Temperatura	F.em (mV)	Límites de Error Estándar
K	-270-1372ºC	-6.458-54.886	Más 2.2 ºC o 0.75%
T	-270-400ºC	-6.258-20.872	Más de 1.0ºC o 0.75%
S	-50-1768ºC	-0.236-18.639	Más de 1.5ºC o 2.5%

*Norma europea IEC 60584.1 (BS EN 60584.1)

 

Para cada uno de los tipos anteriores, el rango de temperaturas es diferente, así como la tensión que se genera en ambos límites. El error en la medida también difiere según la combinación de metales.

En la siguiente gráfica se representa las curvas de tensión generada entre los metales (mV) respecto la temperatura para diferentes tipos de termopares.

Son en estás gráficas donde se puede conocer si el termopar se va a comportar de una forma lineal en el punto de operación.

Aunque hay multitud de tipos el más usado en industria es el termopar Tipo K.

Su gran rango de temperaturas, linealidad, resistencia a la corrosión y bajo coste, hacen que sea ahora mismo (siempre que las condiciones lo permitan) el termopar por excelencia.

Montaje de Termopares.

Ya sabemos cómo funcionan los termopares, pero aún no hemos visto como se montan para poder ser usados en las aplicaciones.

La unión de los metales (junta o unión caliente) no suele estar expuesta al medio. Se introduce el termopar en un tubo (vaina) para resguardar la sonda del medio y evitar deterioros y roturas prematuras.

 

Los terminales de los termopares, lo que hasta ahora hemos visto como cable rojo (positivo) y cable azul(negativo), les podemos encontrar como cables sueltos o en un conector.

Importante

Es muy importante que sepas que para cada tipo hay un modelo de conector.

Estos conectores están también estandarizados.

Por ejemplo, no se puede usar un conector tipo S para uno tipo K.

Lo mismo sucede con los cables extensores que tengamos que usar para ir desde el instrumento hasta la tarjeta de entradas analógicas del PLC.

El cable tiene que ser del mismo tipo del termopar o al menos compatible.

Esto es así porque el material del cable, debe ser el mismo que el que usa el termopar.

Si fueran cables de diferentes materiales se generación juntas calientes en cada conexión.

Si se usa un cable cualquiera para llegar al PLC, las medidas de temperatura serán incorrectas.

Cableado de un Termopar al PLC

Si queremos conectar un termopar a una tarjeta de entradas analógicas lo primero que hay que hacer es asegurarse que la tarjeta es capaz de medir la temperatura a través de los dos cables que salen directamente del termopar.

Esto es muy importante, ya que no todas las tarjetas analógicas de entradas son capaces de hacerlo.

Las hay que solo miden señales de intensidad 4-20mA o voltaje 0-10V, así como otro tipo de sensores como una PT-100.

En el manual u hoja de datos de la tarjeta siempre viene detallado que tipo de sondas es capaz de admitir.

Ante cualquier duda siempre hay que consultar el manual. Pero sólo con la descripción de la tarjeta y el esquema de conexionado podremos saber si la tarjeta admite entradas de termopares.

En el ejemplo de la imagen siguiente, solo leyendo la descripción de la tarjeta y el esquema del conexionado, podemos saber que la tarjeta está preparada para recibir los cables de un termopar.

AI = Entrada Analógica.

TC = Thermocouple (Termopares)

Conexión del Termopar a la Tarjeta de Entradas Analógicas TC

El conexionado es muy sencillo al ser solo dos hilos.

Hay que tener la precaución de respetar la polaridad de los cables. Es decir, no confundir el positivo con el negativo.

Para saber que cable es cada uno (positivo o negativo) basta con consultar el código de colores para cada tipo de termopar.

Recuerda que vimos que era sumamente importante usar el mismo cable extensor que el tipo de termopar.

Estos cables están normalizados y responden a un código de colores.

En la siguiente imagen puedes ver un ejemplo de los códigos de los colores y su polaridad respecto al tipo de termopar.

https://www.tc-sa.es/termopares-informacion/codigo-colores.pdf

 

Atención

Cómo puedes ver en la tabla anterior, hay varias normativas con códigos de colores diferentes.

El uso de una norma u otra depende del país donde se vaya a realizar el uso del termopar.

Por lo general, el uso de la norma IEC es la que más se está extendiendo, pero no es de extrañar que en una instalación antigua encuentres el código de colores propio del país.

Por ejemplo, en América, el uso de la norma ANSI sigue siendo muy empleado.

Ejemplo: Conexionado Termopar Tipo K en Tarjeta de Entradas Analógica TC.

Configuración un termopar en TIA Portal

Realizado el correcto conexionado del termopar a la tarjeta, hay que configurar el módulo.

El objetivo principal es indicar al programa que tipo de sensor tiene conectado para que ajuste sus parámetros y de una medida correcta de temperatura.

Tomaremos de ejemplo la tarjeta de entradas analógicas TC de Siemens siguiente:

SIMATIC S7-1200, Analog input, SM 1231 TC, 4 AI thermocouples

(6ES7 231-5QD30-0XB0)

Es una tarjeta de entradas analógicas de 4 canales preparada para conectar termopares para los PLC S7-1200.

El esquema de conexionado de la tarjeta es el siguiente:

Una vez agregada como dispositivo en el TIA Portal hay que configurar los parámetros básicos de la tarjeta.

El primer paso es seleccionar el canal donde tenemos conectado los terminales del termopar que queremos configurar.

Hay que asegurarse que el tipo de medición sea “Termopar” y seguidamente elegir el tipo de termocupla que tenemos conectado.

Este paso es muy importante. Si elegimos un TC que no coincide con lo que está instalado en campo la medición no será correcta.

En el menú desplegable “Termopar”, podrás elegir entre todos los tipos de termopares que la tarjeta es capaz de soportar.

Con estos simples pasos la tarjeta ya estaría configurada para leer la temperatura de la sonda.

Se pueden configurar otros parámetros:

Escala de temperatura: Elegir si queremos visualizar la temperatura en grados Celsius o Fahrenheit.

Filtrado: Si tenemos una señal de medida que fluctúa mucho podemos realizar un filtrado fuerte (32 ciclos) para que la visualización de la señal sea más estable.

Origen temperatura de referencia: Este parámetro es mejor dejarle por defecto como “Referencia interna”. De esta manera la tarjeta hace sus cálculos internos para compensar el error de la medida por la segunda junta caliente al unir los cables del termopar con el propio bornero de la carta.

Finalmente, solo quedaría activar si lo necesitas, y no lo haces por programa, los avisos de rotura de hilo y los rebases de límite superior e inferior.

Atención.

Usando este tipo de tarjetas no sería necesario realizar escalados de señal. La variable de entrada ya viene escalada y en la unidad que hayas seleccionado (Celsius o Fahrenheit).

Pero debes tener en cuenta que la medida viene con un decimal más.

Por ejemplo, si la temperatura son 20ºC, la variable EW del autómata será 200.

Da ese decimal más para tener mayor exactitud en la medida.

Para finalizar, recordarte de nuevo que es importante que si el termopar es de un tipo lo sean también sus conectores y cable extensor.

Si se usa un cable de diferente tipo o una manguera que haya sobrado de la obra, la medida no va a ser correcta.

También ten en cuenta que, si por algún motivo tienen que sustituir la  termocupla (avería, rotura, calibrado, etc.), es fundamental que el nuevo sea del mismo tipo.

Si tienes el programa configurado un Tipo K y te lo cambian por un Tipo S, por ejemplo, a parte de que el cable y conectores ya no servirían, la medida va a ser mala. Y si no estás atento vas a pensar que es por el programa y vas a dar mil vueltas buscando el error.

No serías al primero que le pasa.

¿Quieres saber más?

Si te ha gustado y crees que esto te puede servir como ayuda, he preparado una guía muy sencilla sobre termopares.

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