Compensación de unión fría

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La compensación de unión fría es una técnica utilizada en ciertos dispositivos de medición de temperatura (principalmente en termopares), para compensar el hecho de que éste se encuentra a una temperatura ambiente que influirá negativamente en una medida absoluta.

Descripción de la Técnica

NOTA:Dado su uso principal en termopares, sólo se dará a conocer esta técnica en dichos dispositivos.

Un termopar basa su funcionamiento principalmente, en el hecho de que un metal al estar a diferentes temperaturas en sus extremos, existirá un flujo de energía desde la zona de más temperatura a la de menos para equilibrar el sistema. Este flujo será el que provoque una diferencia de potencial entre los extremos del termopar. Por lo tanto la tensión medida en un termopar será función de los metales que se utilicen y de las temperaturas a las que se encuentran sus dos extremos.

Normalmente existirá una unión cerrada llamada unión caliente entre los dos metales donde estará la temperatura a medir, y en el otro extremo será donde se abrirán los dos metales y se medirá la tensión entre ellos, llamada unión fría que se considera está a temperatura ambiente.Una buena aproximación de la tensión medida es:

V(Tª,To,α) ≈ α(Tª - To) = αTª - αTo

donde α será un parámetro dependiente de los dos metales usados y medirá la sensibilidad de la tensión de salida frente a cambios de temperatura(normalmente μv/°C), To es la tenmperatura ambiente y Tª la temperatura a medir.

Para poder medir tensiones en un extremo, ha de existir pues una diferencia de temperatura que estará dada por la que deseamos medir, y por la temperatura ambiente a la que se encuentre el termopar. Por lo tanto, vemos que la tensión depende de la temperatura ambiente, cosa que no es nada recomendable. Pensemos por ejemplo, que la tensión de salida de un objeto que está a 45 °C y con una temperatura ambiente de 30 °C, será diferente de la obtenida con el objeto a 45 °C y temperatura ambiente de -10 °C. El objetivo de la compensación de la unión fría es pues eliminar el efecto que produce la temperatura ambiente, que será la de la unión fría. Así pues, se debe crear un circuito auxiliar que dependa de la temperatura ambiente y que entregue una tensión capaz de anular el término αTo de la ecuación vista antes.

En la siguiente imagen se esboza un circuito básico para realizar dicha compensación:

Diseño básico de compensación de unión fría.

El circuito compensador de la figura puede ser un termisor de los muchos que se puedan encontrar en el mercado(normalmente en un chip integrado), que estará a temperatura ambiente To al igual que la unión fría. Dicho circuito da una tensión de salida fijada por el fabricante según la temperatura a la que que encuentre, y normalmente se considerará una respuesta de éste lineal de la forma:

Vcir.comp = βTo

donde β será la sensibilidad que posea el integrado aportada por el fabricante(normalmente en mv/°C).

A esta respuesta se le debe de poner una etapa para acondicionar el valor de su salida a uno que sea αTo con el fin de conseguir nuestro propósito. En este caso se ha optado por un simple divisor de tensión. Por lo tanto siguiendo la nomenclatura de la imagen:

Vcompensador = VR1 = Vcir.comp[R1/(R1+R2)] = βTo[R1/(R1+R2)]

Si queremos anular el efecto de αTo en la tensión del termopar (Vtermopar), deberemos conseguir con Vcompensador una tensión de esta magnitud y sumarsela, para obtener como tensión resultante o la suma de ambas (Vresultante), una medida que no depende de la temperatura ambiente.

Vresultante = Vtermopar + Vcompensador

Vresultante = αTª - αTo + βTo[R1/(R1+R2)]

Objetivo: βTo[R1/(R1+R2)] = αTo → β[R1/(R1+R2)] = α

Si esto se cumple, entonces queda:

Vresultante = αTª - αTo + αTo = αTª = V(α,Tª)

Como se puede ver la tensión resultante ahora no dependerá de la temperatura ambiente, con lo cual podemos realizar una medida correcta. Habremos compensado la unión fría.

Pequeña Controversia

Solo cabe destacar que el lector se estará preguntando paradójicamente, que se necesita un termisor, que de por si ya mide temperatura, para poder medir temperatura correctamente con un termopar. La respuesta es que en algunas circunstancias es necesario el uso de un termopar allí donde un termisor o circuito integrado sería imposible. Pensemos por ejemplo en medir una temperatura de 600 °C donde ningún integrado sobreviviría, pero podemos tener el termopar a dicha temperatura y a una distancia con temperatura ambiente, la unión fría con su compensador y el circuito que capta la señal. También cabe destacar que el termopar es mucho más lineal y tiene mucho mayor rango de operatividad que cualquier termisor.