¿Cómo funciona un termopar?

La temperatura puede medirse con diversos métodos. Termómetros de vidrio, dispositivos de temperatura de resistencia(RTD), instrumentos bimetálicos, termómetros de expansión de gas (accionados por gas) y radiación infrarroja, por citar algunos. Cada uno ofrece un conjunto único de ventajas para aplicaciones específicas.

Otro dispositivo de medición de temperatura muy común es el termopar. Su sencillo diseño lo hace extraordinariamente versátil, fiable y rentable. Pero, ¿cómo funciona un termopar?

En este artículo se describe la función de los termopares, los distintos tipos y la composición de sus materiales.

¿Qué es un termopar?

Un termopar está formado por dos hilos de metales distintos (por ejemplo, en un termopar de tipo J, un hilo es de hierro y el otro de cobre-níquel). Estos hilos se unen en un extremo, normalmente mediante una soldadura o torsión. Esta unión (empalme) debe entrar en contacto con la fuente de temperatura que se desea medir.

En algunas instalaciones, la superficie de los hilos trenzados o soldados es todo lo que se necesita para el contacto. En otras, los hilos están incrustados en la vaina de una sonda rígida o flexible. Esto protege el dispositivo y permite una instalación más sencilla, especialmente cuando se inserta en un termopozo.

Cómo funcionan los termopares.

Cuando los dos hilos distintos se unen por ambos extremos y se aplica temperatura a una de las uniones, fluirá una corriente eléctrica continua a través del bucle formado por los dos hilos, produciendo una tensión medible.

Al variar la temperatura de la fuente, también varía la tensión. Este fenómeno se conoce como "circuito termoeléctrico", y la tensión resultante se denomina "tensión Seebeck" (en honor a Thomas Seebeck, que hizo el descubrimiento en 1821). El nivel de tensión es función de la temperatura de unión y de la composición de los dos metales. Como resultado, los cambios en la tensión Seebeck son linealmente proporcionales a los cambios en la temperatura de la unión.

Figura 1: Circuito termoeléctrico

El circuito del termopar

Para aplicar el circuito termoeléctrico ilustrado anteriormente a una medición de temperatura real, ahora debemos romper el circuito y añadir un dispositivo para medir el voltaje Seebeck.

Figura 2: Circuito del termopar

Al unir los extremos de cada cable a los terminales de un medidor de tensión, estamos creando dos nuevas uniones "secundarias" en el circuito. Las uniones de materiales similares no presentan ningún problema en un circuito termoeléctrico; la corriente fluirá sin perturbaciones, sin ningún efecto sobre el voltaje Seebeck.

Sin embargo, cuando se conecta un cable de termopar a un metal distinto, se crea una tensión adicional (denominada "fuerza electromotriz" o "EMF") en la unión, que actúa en oposición a la tensión Seebeck. Esto distorsionará la medición de temperatura resultante. Para utilizar la tensión Seebeck para calcular la temperatura medida, será necesario superar el efecto de la FEM creada en estas uniones.

Veamos los ocho tipos de termopares más comunes y los materiales que los componen:

Figura 3: Tipos de termopares

El siguiente ejemplo es un termopar tipo T de cobre y cobre-níquel (constantan). Dado que la mayoría de los medidores de tensión utilizan terminales de cobre y cableado interno, la unión (secundaria) del lado de cobre del termopar con el medidor (_J3) no generará EMF (tensión opuesta) y, por lo tanto, no comprometerá la tensión Seebeck.

Sin embargo, la unión de cobre y cobre-níquel (_J2) producirá CEM, que debe tenerse en cuenta en los cálculos utilizados para obtener una lectura de temperatura a partir de la tensión Seebeck medida. Uno de los valores necesarios para cuantificar la CEM es la temperatura en la unión secundaria (_J2).

Nudo de referencia

Dado que el propósito del termopar es medir la temperatura en la unión primaria (_J1), dejar el _J2 expuesto a una temperatura diferente alterará el voltaje. Por lo tanto, será necesario controlar _J2 a una temperatura constante conocida para estabilizar la ecuación.

La forma más sencilla de crear esta temperatura constante es sumergiendo _J2 en un baño de hielo, lo que crea un entorno de 0 °C. Ahora podemos utilizar 0 °C como temperatura conocida de _J2, y calcular fácilmente la temperatura medida de _J1 a partir de la tensión Seebeck. La inserción de _J2 en el baño de hielo a 0 °C se denomina unión de referencia.

Figura 4: Unión de referencia del circuito del termopar

Para otros tipos de termopares en los que el cobre no es uno de los dos metales (como el tipo J, ilustrado a continuación), se formará una tercera unión de metales distintos. Para limitar el error causado por la unión adicional, se añade al circuito un "bloque isotérmico" (buen conductor térmico con baja conductividad eléctrica) para igualar la temperatura a través de las dos uniones.

Con el bloque isotérmico en su lugar, el EMF (voltaje) creado en la unión _J3 cobre-hierro actuará en oposición al EMF (voltaje) creado en la unión _J4 cobre-hierro, neutralizando así el EMF causado por la unión de estos metales disímiles en estos dos puntos.

Figura 5: Bloque isotérmico del circuito termopar

"Empalme de referencia "automático" o "interno

Aunque el uso de un baño de hielo de referencia da lugar a las mediciones de temperatura más precisas, el baño de hielo es a menudo poco práctico, especialmente en aplicaciones portátiles. Por lo tanto, se debe emplear algún otro medio para medir o controlar el EMF causado por la unión de los dos metales disímiles del termopar en _J2.

La mayoría de los instrumentos de temperatura (transmisores y medidores) utilizan un circuito interno para lograr esta referencia. Es lo que se denomina "compensación de unión fría" (CJC). El circuito CJC mide la temperatura de unión a la entrada del instrumento y luego añade un factor de corrección para 0°C. Esto permite que el instrumento muestre la temperatura correcta de J1_.

Formas y tamaños de termopares

Aunque la base de los termopares son sólo dos hilos, pueden incorporarse a instrumentos de muchos estilos diferentes para adaptarse a instalaciones específicas. En algunos casos, se instalan de forma permanente en el interior de un reactor o en otros entornos industriales hostiles, mientras que en otras aplicaciones pueden acoplarse a un dispositivo portátil para realizar pruebas puntuales.

Estos son algunos ejemplos de dispositivos termopares Ashcroft:

S50 Sonda industrial para instalación en termopozo

S70 Sonda industrial con almohadilla de termopar soldada a la superficie de contacto

Sonda industrial pesada "multipunto" con varias sondas termopar 

Calibrador portátil ATE-2 con interfaz de termopar y sonda

No nos gusta presionarle, pero tenemos más información.

Ahora que entiende mejor cómo funciona un termopar y las ventajas que puede ofrecer, puede elegir la mejor solución para su aplicación.

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