Este fragmento de nuestro Manual de Referencia Técnica de Temperatura, explica cómo se hace la elección de revestimiento para termopares aislados por minerales.

1. La elección de revestimiento
para termopares aislados por minerales
H. L. Daneman, P.E.

2. INTRODUCCIÓN
La forma de termopar con aislamiento mineral integralmente revestido en metal
(MIMS) consiste en cables de termopar envueltos en material aislante
(generalmente MgO) compactados por laminado, trefilado o estampado hasta que
se alcance una reducción en el diámetro de la funda. Las ventajas de los
termopares MIMS son:
• Aislamiento químico de los cables de la atmósfera que los rodea.
• Revestimiento de los termoelementos de las fuentes de interferencia eléctrica.
• Protección de los cables y aislamiento de daños causados por golpes.
• Flexibilidad del conjunto final, permitiendo el doblado.

3. INTRODUCCIÓN
Durante dos décadas, la gente le ha conferido a la construcción de MIMS una mayor
capacidad de la que merece. Con mucha frecuencia, esta forma ha mostrado menos
estabilidad, menos durabilidad y menores límites de temperatura que los
correspondientes elementos sin funda.
Los termopares MIMS de níquel utilizados sobre los 400 °C (750 °F) son
especialmente vulnerables a inestabilidad de calibración y menor vida útil - factores
que se apoyan en gran medida en el uso y la selección del termopar.

4. HISTÉRESIS
La histéresis termoeléctrica es un contribuyente a la inestabilidad de calibración. La
histéresis es una forma de fenómeno de orden/desorden de corto alcance que ocurre
entre 200 y 600 °C (con pico en ≈ 400 °C) para aleaciones de Ni-Cr como el Tipo K.
Se evidencia por un cambio de calibración de varios grados mientras la temperatura
de termopar está dentro de esta banda de temperatura. Los termopares Tipo N
presentan histéresis de hasta 5 °C cuando se calientan y enfrían entre 200 y 1000 °C
(con pico alrededor de 750 °C). A 900 °C la histéresis es de 2 a 3 °C. Si el termopar tipo
K, por ejemplo, se va a utilizar por abajo de 500 °C, la histéresis se puede reducir por
recocido durante la noche a 450 °C.

5. OXIDACIÓN
Otro fenómeno que afecta la calibración es la oxidación. Las
aleaciones de Ni-Cr-Al (por ejemplo, Cromel*) tienen vida
limitada en el aire cuando están a más de 500 °C debido a la
oxidación. Una forma especial de oxidación es la llamada
“pudrición verde” que es la oxidación preferencial de Cr en
atmósferas con bajo contenido de oxígeno (por ejemplo,
fundas en las que el volumen de aire es limitado y
estancado). Nicrosil resiste la oxidación hasta
aproximadamente 1,250 ˚C (2,300 ˚F) y no presenta
pudrición verde.
(*) CHROMEL es una marca registrada de Hoskins Manufacturing Co.

6. OXIDACIÓN
Varios materiales de funda nuevos llamados “Nicrobell” (**)
constan de Nicrosil con 1.5% o 3.0% de niobio. Nicrobell “A”
está particularmente formulado para ser resistente a la
oxidación. Otro nuevo material de funda resistente a la
oxidación llamado Nicrosil+ (***) consta de Nicrosil más
0.15% de magnesio. Se ha reportado (ref. 4) que presenta
menos fragmentación y quizás tenga una vida útil mayor
que algunas versiones probadas de Nicrobell.
(**) NICROBELL es una marca registrada de NICROBELL Pty. Ltd. Las aleaciones de
funda NICROBELL están patentadas en varios países, incluyendo EUA
(***) NICROSIL + es una marca registrada de Pyrotenax Australia Pty. Ltd.

7. OXIDACIÓN
Nicrosil, por sí misma, no tiene una resistencia satisfactoria
a las atmósferas reductoras, como las encontradas en la
mayoría de los procesos de combustión o en muchos
tratamientos térmicos. Otras adaptaciones de Nicrosil como
material de funda (como Nicrobells B, C y D) pueden ser
ofrecidas para para uso en atmósferas típicas no oxidantes.

8. CONTAMINACIÓN
Una tercera infuencia en la estabilidad de calibración es la contaminación. La
idea detrás del termopar revestido de metal, diseñado integralmente y aislado
por minerales es que la compresión uniforme del aislamiento de óxidos
minerales fnamente divididos (por lo general MgO) que rodea los cables y llena la
funda selle el volumen interno, eliminando así la contaminación.
El volumen del aislamiento comprimido por estampado, treflado o laminado está
en el orden de 85% de material sólido. Esto es útil, pues permite que el tubo se
doble y también que conjuntos de diámetro menor sean fabricados. Sin
embargo, permite la intrusión de gases como vapor de agua o aire.

9. CONTAMINACIÓN
También permite la difusión del vapor de los elementos que componen los cables
o la funda. Bentley y Morgan determinaron que la difusión en fase vapor de Mn
(manganeso) a través del aislamiento de MgO tiene mayor influencia en la
descalibración del termopar.

10. FATIGA DEL METAL
La fatiga del metal es otra causa de reducción de la vida útil del termopar. Diferir
coeficientes de temperatura de expansión lineal entre fundas y cables causa tensión
durante el calentamiento o enfriamiento. Estas tensiones resultan en una eventual
fractura por fatiga del metal.
Al calentar a 900 °C, la expansión térmica del Nisil difere
del acero inoxidable 304 en un 0.4% de longitud. Nicrosil
tiene solo 0.05% de diferencia en expansión térmica en
comparación con Nisil (la parte más propensa a
fracturarse). Una funda de Nicrosil, de Nicrosil o de
Niobell induciría una menor fatiga del metal en cualquier
segmento del termopar Tipo N del que una de acero
inoxidable.

11. COMPOSICIÓN
Los cambios de composición en pares cubiertos de acero inoxidable suelen ser
mayores que en los pares cubiertos con Inconel (****). En pruebas realizadas por
Anderson, et al., el segmento de KN mostró un aumento de cromo, pero una
disminución de aluminio. Estos cambios en la composición contribuyeron con la
mayor parte del cambio resultante en la calibración del termopar.
(****) INCONEL es una marca registrada de International Nickel Co.

12. COMPOSICIÓN
La mayoría de los aceros inoxidables tienen de 1 a 2% de manganeso. El tipo 304 tiene
≈ 2% de manganeso. Otros tienen concentraciones de manganeso que varían de 1% a
10%. Inconel tiene hasta 1% Mn. Como regla general, cada 1% de Mn en el material
de la funda contribuye con -10 ˚C en el cambio de calibración para 1,000 horas a 1,100
˚C. De acuerdo con Bentley, a 1,200˚C, una funda de acero inoxidable del tipo N de 3
mm de diámetro derivó presentó desvío de -24 ˚C en 1,000 horas.

13. Figura 1. Derivación de revestimiento de acero inoxidable de 3 mm de diámetro y
revestimiento Inconel 600 termopares tipo K y Nicrosil vs. Nisil en 1200 °C de vacío. Las
caídas en la curva de la derivación son resultado de la “prueba de no . homogeneidad in
situ” donde las muestras fueron extraídas del horno por 5 cm.

14. HUMEDAD
Hay un efecto múltiple de vapor de agua dentro de la funda. Se absorbe rápidamente
en el MgO, reduciendo la resistencia de aislamiento. La intrusión de humedad puede
arruinar un conjunto de termopares MIMS en tan solo unos pocos minutos. En
cantidades menores, destruye una capa protectora de óxido en aleaciones de níquel-
cromo, sometiéndolos a un deterioro más rápido.
Los cambios por vapor de agua pueden ser lo sufcientemente graves como para
inutilizar a los pares afectados al reducir la resistencia de aislamiento. Esta resistencia
reducida puede resultar en lecturas confusas de temperatura, fallas prematuras o
incluso lecturas erróneas después de abrir los circuitos.

15. HUMEDAD
El vapor de agua puede introducirse durante la fabricación o reparación del termopar,
o incluso por cambios en la presión atmosférica durante el transporte aéreo o durante
largos períodos de almacenamiento (por ejemplo, seis meses) en los sitios de
construcción. Se debe tener cuidado con los sellos herméticos durante el traslado e
instalación.

16. Figura 2. Derivación in situ en termopares tipo N con las puntas sostenidas a 1100 °C. Las curvas
se refieren a los termopares revestidos de metal y aislados por minerales con fundas de 3mm de
diámetro de acero inoxidable (SS) 310 o Nicrosil (NCR) y termopares de cable descubierto de
1.6mm en aire. También se indica el rango en derivación para este último.

17. RECOMENDACIONES
Aunque no se mencionó anteriormente, hay cierta relación entre el diámetro de
estos materiales de termopar y la estabilidad y longevidad a temperaturas elevadas.
La superfcie de enladrillado donde se apoyan los calentadores eléctricos se vuelve
conductora a temperaturas elevadas. Esto conduce al fujo de corrientes eléctricas a
través de fundas de termopares a tierra, tal vez a través del instrumento de
medición.
La tentación de utilizar los termopares mejor revestidos (hasta de 1 mm) debe
resistirse para ambientes industriales corrosivos o temperaturas más altas.

18. RECOMENDACIONES
El acero inoxidable es una funda más defciente para termopares aislados por minerales y
revestidos de metal que el Inconel 600 o el modifcado Nicrosil al utilizarse con
termopares Ni-Cr como el Tipo K o Tipo N. Los termopares modifcados con funda Nicrosil
ofrecen mejor resistencia a la oxidación hasta 1100 °C (1200 a 1250 °C para el tipo N),
menos fallas por expansión térmica diferencial, mejor ductilidad y la eliminación de los
problemas de deriva causados por la difusión de vapor de manganeso de aceros
inoxidables o Inconel.

19. RECOMENDACIONES
Considerando el estado actual de provisión de nuevos materiales, una buena opción sería
elegir un termopar MIMS Tipo K revestido en Inconel de bajo manganeso (0.3% o menos)
hasta que los datos de comprobación del termoparTipo K o N revestido en Nicrosil
modifcado estén disponibles.

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