Termocupla, termopar: Dispositivo que genera electricidad usando el principio del efecto Seebeck.

Termopares: Definición y Principios

Un termopar es un sensor de temperatura que utiliza dos hilos hechos de metales diferentes, unidos en un extremo. La diferencia en las propiedades termoeléctricas de los metales genera un pequeño voltaje en los extremos libres, el cual es proporcional a la temperatura del punto de unión. Este principio se basa en el efecto Seebeck, que describe cómo una diferencia de temperatura a lo largo de un material genera una fuerza electromotriz.

Figura 1- (a) Un circuito de termocupla, (b) termocuplas conectados para formar una termopila y (c) enfocando los rayos EM en una termopila.

La corriente que fluye es el resultado de la diferencia en la fuerza electromotriz desarrollada en las dos uniones debido a su diferencia de temperatura. En la práctica, se mide la diferencia de voltaje entre las dos uniones; la diferencia de voltaje es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Tenga en cuenta que el termopar solo se puede utilizar para medir diferencias de temperatura. Sin embargo, si una unión se mantiene a una temperatura de referencia, el voltaje entre los termopares da una medida de la temperatura de la segunda unión.

Figura - Esquema de una termocupla y su sistema de medición

1. Junta de medición
2. Junta de corrección
3. Cable compensado
4. Junta de referencia.

Figura - Sistema electrónico de compensación de junta de referencia.

1. Termocupla -
2. Cable compensado
3. Compensador de mV
4. Fuente de tensión constante

Es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados.

En el caso del tercer sistema de compensación (ver figura), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60º C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10º C y 60º C .

Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/ºC , que las termocuplas entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.

Características Principales

1. Sin fuente de alimentación externa: Un termopar no necesita una fuente de energía externa, pero el voltaje generado es extremadamente pequeño, generalmente en microvoltios. Esto requiere circuitos especializados para convertir el voltaje en una lectura de temperatura.
2. Amplia gama de tipos: Existen diferentes tipos de termopares, diseñados para medir diferentes rangos de temperatura. Cada tipo tiene características específicas que requieren una conversión adecuada para obtener lecturas precisas.
3. Diseño simple y robusto: En su forma más básica, un termopar consiste en dos hilos soldados en un extremo. Sin embargo, en aplicaciones comerciales, generalmente están encapsulados en sondas para protección y facilidad de uso.

Aplicaciones de los Termopares

Los termopares tienen el rango más amplio entre los sensores de temperatura por contacto, siendo capaces de medir temperaturas desde -200 °C hasta más de 1800 °C, dependiendo del tipo. Son comunes en laboratorios, procesos industriales como hornos de alta temperatura y motores de combustión interna. Además, se utilizan para medir temperaturas criogénicas y monitorear fluctuaciones rápidas debido a su baja inercia térmica.

Figuras. Diferentes tipos de conexiones de termopar a un amplificador operacional (a) usando par trenzado directo a una referencia y amplificador y (b) para medición de temperatura promedio y medición de temperatura diferencial.

Cómo Funcionan

Hay tres efectos asociados con los termopares. Son los siguientes: Efecto Seebeck, efecto Peltier, efecto Thompson.

Cuando un extremo de un material conductor está a una temperatura diferente del otro extremo, se genera un gradiente térmico que produce una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos. Este efecto es aprovechado en un termopar con dos materiales diferentes, donde cada material tiene su propio coeficiente de Seebeck. La diferencia en estos coeficientes, junto con el gradiente térmico, determina el voltaje medido.

Tipos de Termopares

Tabla 1 . Rangos de funcionamiento para termopares y coeficientes de Seebeck

Tabla 2. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.

(1) Los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos (no permanentes )

(2) Los diámetros de alambres no son indicativos

(3) Valores de fem (mV) en función de º C , referencia junta fría 0º C.

Tabla 3.Tolerancias de calibración para termocuplas estándar ( referencia junta fría 0º C ) según IEC 584 Parte 1 . 

(1) La desviación máxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones: el valor en °C o su equivalente calculado reemplazando (t) por la temperatura en cuestión.

(2) Normalmente, las termocuplas y los cables compensados se suministran con tolerancias especificadas por encima de -40 °C. Para termocuplas utilizadas por debajo de -40 °C . debe entenderse que sus tolerancias son para ese material mayores qué las especificadas en Clase 3.

Hay siete tipos de termocuplas designadas por letras, según el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standards (NBS) ha desarrollado tablas de correlación temperatura-fem, publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y la American Society for Testing and Materials (ASTM).

En 1986 se unificaron las normas europeas DIN (Alemania), BS (Reino Unido), NF (Francia) y ANSI (EE.UU.) respecto a la correlación temperatura-fem y tolerancias de fem en distintas aleaciones.

Esta estandarización fue consolidada en la norma IEC 584 (International Electrotechnical Commission).

Las siete termocuplas están en la Tabla 2. Se indican los rangos de temperatura con valores publicados de fem, la composición y diámetros de alambre adecuados. La figura siguiente muestra las curvas temperatura-fem. La Tabla 3 detalla las tolerancias estándar de calibración según IEC 584 Parte 1. La Tabla 4 compara la resistencia de cada tipo a distintas condiciones ambientales.

Figura 2. Fuerza electromotriz de salida de la termocupla versus temperatura para varios tipos.

Tipo B (PtRh 30% - PtRh 6%)

Ventajas: mide temperaturas más altas que los tipos R y S; mayor estabilidad y resistencia mecánica; puede usarse sin compensación de junta ante fluctuaciones normales de temperatura ambiente. La Figura refleja este último punto por la pendiente casi nula de su curva cerca de temperatura ambiente. Es adecuada para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.700 °C y durante cortos períodos en vacío.

Desventajas: baja tensión de salida; no apta para atmósferas reductoras (ej. hidrógeno, monóxido de carbono) ni en presencia de vapores metálicos (plomo, zinc) o no metálicos (arsénico, fósforo, azufre). No debe usarse con vaina metálica.

Tipo R (PtRh 13% - Pt)

Uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400 °C. Menos estable que la Tipo B en vacío. Su principal ventaja es una fem de salida superior a la Tipo B.

Según ASTM: no debe usarse en atmósferas reductoras ni con vapores metálicos, no metálicos o con óxidos fácilmente reducidos, a menos que se utilicen vainas no metálicas. No insertar directamente en vaina metálica.

Tipo S (PtRh 10% - Pt)

Es la termocupla original de platino-rodio. Estándar internacional (IPTS-68) para temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio (630,74 °C) y el del oro (1.064,43 °C).

Usos similares a Tipo R: continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480 °C. Igual limitación que R y B: menor estabilidad en vacío.

Tipo J (Fe - CuNi)

También llamada hierro-constantán. Segundo tipo más usado en EE.UU. El hierro es positivo y el conductor negativo es una aleación 55% cobre y 45% níquel.

Apta para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras, inertes y vacío hasta 760 °C. Por encima de 540 °C, el hierro se oxida rápidamente; se recomienda alambre grueso para prolongar la vida útil. Su principal ventaja: bajo costo.

Limitaciones: no usar en atmósferas sulfurosas sobre 540 °C. No recomendada por debajo de 0 °C por fragilidad y oxidación. No debe exponerse a ciclos por encima de 760 °C si luego se requieren mediciones precisas por debajo de esa temperatura.

El constantán de Tipo J no es intercambiable con el de los tipos T y E. Su composición es ajustada por cada fabricante para seguir la curva de calibración publicada, por lo que los elementos no siempre son intercambiables.

Tipo K (NiCr - Ni)

También conocida como Chromel-Alumel (marcas registradas de Hoskins Mfg. Co.). Chromel: 90% níquel y 10% cromo; Alumel: 95% níquel más aluminio, silicio y manganeso. Es la termocupla más usada en la industria por su resistencia térmica superior a la Tipo J.

Apta para uso continuo en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1.260 °C. Es la más confiable en atmósferas reductoras, sulfurosas o en vacío.

Tipo T (Cu - CuNi)

Llamada cobre-constantán. Funciona bien en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras o inertes. Su desventaja: límite de temperatura bajo (370 °C con diámetro de 3,25 mm).

Puede usarse en temperaturas bajo 0 °C, pero ASTM recomienda para ese fin la Tipo E.

Tipo E (NiCr - CuNi)

Conocida como Chromel-constantán. Tiene la mayor fem de salida de todas las termocuplas estándar (ver Figura 4). Rango recomendado: –200 °C a 980 °C (con diámetro de 3,25 mm).

Rinde bien en atmósferas oxidantes e inertes. Es ideal para condiciones húmedas a temperaturas bajo cero, por su alta fem y buena resistencia a la corrosión. Supera a la Tipo T para ese uso, debido a su mayor salida y menor conductividad térmica del Chromel respecto al cobre.

Conversión de Salidas

Los voltajes generados por los termopares son no lineales y requieren circuitos de acondicionamiento de señal para traducirlos en temperaturas precisas. Chips especializados, como el MAX31855K, pueden amplificar y digitalizar la salida, facilitando la integración con microcontroladores.

Problemas Comunes

1. Ruido eléctrico: Los hilos del termopar son vulnerables a interferencias eléctricas, lo que puede afectar la precisión de la medición. Para mitigar esto, se deben usar cables trenzados o blindados.
2. Fatiga del metal y oxidación: Algunos metales utilizados en termopares son frágiles y susceptibles a la oxidación, lo que puede acortar su vida útil.
3. Polaridad incorrecta: Si los hilos están conectados al revés, la lectura será incorrecta.
4. Daño por calor: La fabricación de termopares mediante soldadura debe realizarse con cuidado para evitar daños en los materiales.

Consideraciones de Diseño

1. Junta de referencia: Es crucial que la junta de referencia esté a una temperatura conocida o que se compense térmicamente mediante un sensor adicional.
2. Extensión de cables: Si se necesita ampliar la longitud de los cables, deben usarse materiales idénticos a los del termopar para evitar errores en la medición.
3. Aislamiento adecuado: Especialmente en temperaturas altas, el aislamiento debe resistir las condiciones extremas sin degradarse.

Termopilas

Figura . Sensores a termopila, con diseños especiales incluyen lentes o reflectores incorporados para mejorar el rendimiento de la detección, construcciones isotérmicas o ventanas duales de banda estrecha para muchas aplicaciones de medición de temperatura sin contacto de vanguardia.

Una termopila es una configuración de múltiples termopares conectados en serie para aumentar el voltaje generado. Esto es útil en dispositivos como termómetros infrarrojos y sistemas de seguridad para cortar el suministro de gas en caso de fallas.

Ventajas

• Amplio rango de temperatura.
• Respuesta rápida.
• No consumen energía.

Limitaciones

• Baja sensibilidad comparada con otros sensores.
• Salida no lineal.
• Vulnerabilidad al ruido y otros factores ambientales.

LA TERMOCUPULA PRACTICA

Para aplicaciones simples, los termoelementos pueden hacerse usando cables compensados y algún tipo de aislante adecuado para cada caso.

La unión de medición se forma en un extremo soldando los dos alambres conductores fundiéndolos entre sí bajo una atmósfera inerte de argón.

La condición esencial es establecer una conexión eléctrica adecuada entre los conductores (Figura 1)

Fig. 1

Los rangos, tipo y estilos de las termocupulas son muy grandes y completos con lo que es posible conseguir una disposición adecuada para las aplicaciones necesarias en la industria y el campo científico.

Frecuentemente, el termoelemento suele ir introducido en una carcaza cerrada en su extremo (termopozo) que se fabrica de alguna aleación metálica resistente a la corrosión o al calor y, en otros casos, se utiliza un material refractario (Figura 2)

Fig. 2

Una forma alternativa de construcción es utilizar un termoelemento con aislamiento mineral; En este caso, los cables conductores están envueltos en un polvo mineral inerte y no conductor fuertemente compactado. Todo este conjunto va rodeado de una camisa metálica (de acero inoxidable o aleaciones de níquel) que forman una unidad hermética.

Este tipo de ensamblaje se puede obtener en diámetros externos desde 0.25 hasta 19 mm inclusive y longitudes de unos pocos milímetros hasta cientos de metros (Figura 3)

Fig. 3

Para aplicaciones especiales donde se requiere una respuesta rápida, es aconsejable ocasionalmente, que la termocupula sea fabricada con su unión expuesta o en algunos casos aterrada; siempre y cuando el resto del sistema lo permita.

Las termocupulas están frecuentemente acabadas con una conexión o un terminal que permite su unión con resto del circuito termoeléctrico. Alternativamente, un conector especial puede ser incluido; En estos dispositivos, las patas conectoras están construidas de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM generada en la unión de medición, permitiendo así la rápida conexión o desacople del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termoelemento.

En los termopares, también llamados termocuples, existen dos puntos importantes: las juntas caliente (en el proceso) y la junta fría (en el medio ambiente).

Los materiales que serán usados ya están estandarizados y tienen unas tablas de comportamiento, que suponen, que la junta fría se encuentra a cero (0) grados centígrados.

Esto es con el fin, de tener un valor de patrón de comparación que parta de cero, ya que de no ser así, la junta fría actuaría como un segundo termopar en serie con el primero sumando así a la f.e.m. de la junta caliente.

En la práctica industrial, lo frecuente, es tener la junta fría a temperatura ambiente, lo que hace necesario compensar el valor de la lectura de mV, restando los mV que generaría ese termopar a la temperatura ambiente.

Cómo utilizar un termopar: Consejos prácticos de aplicación

Un termopar se dice que es un “sencillo” dispositivo de medición de la temperatura. Con una diferencia de temperatura entre la unión fría y la unión caliente, usted tiene una lectura de voltaje que le da una indicación de la temperatura que se mide. Pero, ¿es realmente un dispositivo simple?. Bueno, un estudio detallado del termopar revelará que en realidad no es un dispositivo simple como parece. A partir de los cables de extensión que podrían servir de antena para recoger tensiones parásitas, a problemas de bucle de puesta a tierra, con avanzados módulos de acondicionamiento de señal destinados a disminuir el ruido y con desafíos para obtener la composición del material del termopar, no parece ser un dispositivo simple en el sentido real. Sin embargo, la termocupla es todavía un dispositivo preferido cuando se trata de la medición de altas temperaturas y en ciertas aplicaciones donde un RTD no es adecuado.

Entonces, ¿cómo podemos utilizar un dispositivo de termopar con éxito? Aquí detallamos algunos consejos prácticos de aplicación que ayudan a hacer del termopar en un éxito en su aplicación:

Consejo 1:

Siempre examine las especificaciones del fabricante del termopar para cumplir las normas, los rangos especificados de temperatura, y la intercambiabilidad. Éstos son los puntos básicos de su aplicación.

Consejo 2:

La reproducibilidad y la capacidad de intercambio entre marcas de termopares debe ser verificada. Los errores debidos a la sustitución de termopar son comunes en la industria y se deben evitar.

Consejo 3:

Los lazos de tierra son un problema común en las aplicaciones de termopar. Utilice módulos de acondicionamiento de señal aislados para evitar bucles a tierra.

Consejo 4:

Siempre use módulos de acondicionamiento de señal de termopar con el filtrado de entrada apropiados. Se ha demostrado que esto reduce o elimina los errores graves de ruido.

Consejo 5:

Cada cable de termopar conectado al módulo de detección debe estar a la misma temperatura. Los conectores del módulo no deberían tener gradientes térmicos (diferencias de temperatura) a través de las conexiones individuales.

Consejo 6:

El comportamiento del termopar depende de la estructura molecular de los materiales. Las condiciones ambientales tales como el estrés, la corrosión química, radiación, etc., que afectan a la estructura molecular en cualquier lugar a lo largo de la longitud del alambre del termopar pueden crear errores de medición.

Consejo 7:

Utilice cables de extensión de par trenzado y módulos de acondicionamiento de señal con filtrado adecuados para ayudar a evitar interferencia electromagnética y los errores interferencias de radiofrecuencia.

Consejo 8:

Mantener las longitudes de termopar del conductor lo más cortas posible.

Consejo 9:

Use extensiones de cables recomendadas por el fabricante si son necesarios tramos largos de cables de termopar.

Consejo 10:

Siempre ponga atención en el código de color de la polaridad. También tenga en cuenta que los fabricantes europeos y los fabricantes norteamericanos utilizan convenciones de de código color de polaridad opuestas. Asegúrese de anotar la diferencia y tomar las medidas adecuadas para evitar cualquier error de polaridad debido a esta diferencia.

Consejo 11:

Evitar “derivaciones calientes” al instalar termocuplas. Cualquier material conductor del calor, como hilos conductores grandes, pueden puentear calor fuera del termopar,  creando errores de medición.

Consejo 12:

Ambientes corrosivos hostiles combinados con humedad y calor pueden provocar  corrosión, lo que puede estimular la acción galvánica y crear errores electroquímicos de tensión. Considere el entorno operativo antes de decidir el tipo de termopar de usar.

Consejo 13:

El tiempo de respuesta de medición de la temperatura es significativamente afectado por la vaina que contiene al termopar, por ejemplo los termopares en un pozo térmico tienen un tiempo de respuesta lento, que pueden causar variaciones indeseables en un lazo de control. Determine si el tiempo de respuesta es crítico para su aplicación antes de decidirse a utilizar tubo o vaina específico de termopar.

Consejo 14:

Trate de utilizar módulos de acondicionamiento de señales electrónicas con técnicas de compensación de junta fría, que utilicen dispositivos que detectan la temperatura, los que tienen tiempos de respuesta térmica equivalente a la de los termopares de medida.

Consejo 15:

Un termopar de unión expuesta se recomienda para la medición de la temperatura del gas no corrosivo fluyendo o estático cuando la mayor sensibilidad y respuesta más rápida es requerida. En este tipo, los alambres de medición no están protegidos y el tiempo de respuesta es muy rápido.

Consejo 16:

Una unión de termopar sin puesta a tierra (aislada) es más adecuada para los medios corrosivos, aunque la respuesta térmica es más lenta debido a la separación de aire entre la unión y la funda exterior. Este tipo de construcción proporciona una mejor protección a los cables del termopar y es de construcción aislada electrónicamente. En algunas aplicaciones, donde más de un termopar se conecta a la instrumentación asociada, la aislación puede ser esencial para evitar señales falsas que se producen en los circuitos de medición.

Consejo 17:

Una unión de termopar puesta a tierra (conexión a tierra) es adecuada para medios corrosivos y para aplicaciones de alta presión. Esta proporciona una respuesta más rápida que la unión con aislamiento y protección no otorgada por la junta expuesta de termopar.

Términos destacados :

En resumen, los termopares son sensores versátiles y confiables para aplicaciones industriales y científicas, pero requieren cuidado en su diseño e instalación para garantizar un desempeño óptimo.