Termopar – Información Técnica

Termopares

Cuando exponemos un conductor eléctrico a un gradiente de temperatura, el flujo de energía (calor) está asociado al flujo de electrones a lo largo del conductor, y se genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) en esta zona. Tanto la amplitud como el sentido de la f.e.m. dependen de estos mismos parámetros, del propio gradiente de temperatura y del material del que esté compuesto el conductor. El voltaje es una función del gradiente de temperatura y de la longitud del conductor. Este efecto se descubrió en 1822 por TJ Seebeck.

El voltaje que aparece en los extremos del conductor es la suma de todas las f.e.m. generadas a lo largo del mismo. Por lo tanto, para una misma diferencia de temperatura T1-T2, las distribuciones de gradiente mostradas en el diagrama de las figuras 2.1 (a, b y c) producen el mismo voltaje E, siempre y cuando el conductor tenga unas características termoeléctricas uniformes en toda su longitud. Como se muestra, el voltaje de salida de un conductor simple no se puede medir habitualmente, ya que la suma de las f.e.m. internas alrededor de un circuito completo en cualquier gradiente de temperatura es cero. En un termopar real, la unión de dos materiales de distintas características termoeléctricas producen un flujo de electrones y un nivel de voltaje de salida medible por la instrumentación asociada.

Por lo tanto, dos conductores A y B de diferente aleación, unidos y expuestos a los mismos gradientes de temperatura (figura 2.1) generan salidas como las mostradas en la figura 2.2. Existe un flujo de electrones en la unión causado por las distintas f.e.m. termoeléctricas como resultado de la interacción del gradiente de los dos conductores diferentes. De ahí el término "termopar".

Cabe destacar que la f.e.m. termoeléctrica se genera en la región del gradiente de temperatura y no en la unión como tal. Es importante que se comprenda este punto, ya que existen implicaciones prácticas en la termometría de termopares. Se debe comprobar que los conductores del termopar sean física y químicamente homogéneos. De la misma manera, las uniones en sí deben estar situadas en zonas isotérmicas. Si no se cumple alguna de estas condiciones, el resultado serán f.e.m. adicionales no deseadas.

Se puede intercalar un número cualquiera de conductores en un circuito termoeléctrico sin que ello repercuta en la f.e.m. de salida, siempre y cuando ambos extremos estén a la misma temperatura, y una vez más, se asegure la homogeneidad. Este hecho nos conduce al concepto de cables de extensión y compensación, cuya utilización nos permite intercalarlos entre el termopar y la instrumentación, consiguiendo de esta manera tiradas mas largas sin apenas pérdidas de señal. Ver capítulo 2, sección 3.

Volviendo a la figura 2.2, la salida ET es igual para cualquier distribución de gradiente de temperatura para una diferencia de temperatura T1 y T2, siempre y cuando los conductores tengan unas características termoeléctricas uniformes en toda su longitud. La salida del termopar es tan solo una función de las temperaturas de las dos uniones principales, debido a que las uniones M, R1 y R2 representan los límites de los conductores generadores de f.e.m., y que los conductores restantes que unen los instrumentos de medida son de cobre (homogéneo). Esencialmente, esta es la base de la termometría mediante termopares.

Las uniones relevantes son la unión de medición (M) y las de los cables de diferente aleación a las conexiones de salida de cobre (normalmente, un par de uniones), llamada unión de referencia (R), como se ve en la figura 2.2. Siempre que la temperatura de la unión de referencia (R) sea conocida, la temperatura de la unión de medición (M) se puede deducir de la f.e.m. de salida del termopar. Por lo tanto, los termopares se pueden considerar dispositivos de medida de temperatura diferenciales, no sensores de temperatura absolutos. Los puntos importantes a tener en cuenta en este apartado son cuatro. En primer lugar, los termopares solo generan señal en las regiones donde existen gradientes de temperatura. En segundo lugar, solo se puede asegurar la precisión y estabilidad si las características termoeléctricas de los conductores del termopar son uniformes en su totalidad. En tercer lugar, solo se puede generar una f.e.m. en un circuito compuesto por materiales de diferente naturaleza y bajo un gradiente de temperatura. Y en cuarto lugar, los efectos termoeléctricos únicamente se aprecian en las uniones.

Compensación de la Unión de Referencia

Existen tablas de referencia para cada combinación de termopar, relacionando el voltaje de salida (f.e.m.) con la temperatura de la unión de medida. Para una correcta medida de temperatura mediante termopares es necesario ceñirse a los valores medidos con estas tablas de referencias estrictamente normalizadas. La f.e.m. de salida de los termopares es una relación directa de la diferencia de temperatura entre las uniones de medida y de referencia, por lo tanto ante una variación de la temperatura de la unión de referencia obtendremos valores diferentes de tensión para una misma temperatura en la unión de medida. Las tablas mencionadas anteriormente siempre suponen de forma expresa que la unión de referencia se mantiene en 0ºC.

Esto se puede lograr mediante la inmersión de la unión de referencia (transición a cables de cobre) en un baño de hielo derretido, mediante tubos aislantes de cristal, o en una cámara de temperatura controlada, como un bloque isotérmico con sensores de temperatura adecuados. Aunque, hoy en día, para realizar medidas industriales, este tipo de compensación se lleva a cabo normalmente por electrónica de corrección de temperatura incluyendo técnicas de linealización (normalmente digitales), para solventar la no linealidad de las curvas. Ver capítulo 1, sección 5. Generalmente, las variaciones de temperatura en la unión de referencia se evalúan mediante un dispositivo termosensible (habitualmente un termistor), colocado lo más próximo posible a la unión de referencia. Este elemento nos permite realizar la corrección del valor de medida respecto a las variaciones de temperatura producidas en la unión de referencia.

Métodos de Compensación de la Unión de Referencia

Según hemos descrito en apartados anteriores, los termopares generan una f.e.m. de salida en función de la diferencia de temperatura existente entre la unión de medida y la de referencia. Por tanto, para que el sensor realice una medida absoluta y no diferencial, es necesario mantener la unión de referencia a una temperatura conocida (figura 5.1). Uno de los métodos utilizados todavía en la actualidad por los laboratorios, consiste en mantener la unión de referencia a una temperatura estable mediante su inmersión en una mezcla de hielo y agua en descongelación. Suponiendo que se utiliza agua destilada en forma de hielo, la temperatura durante el proceso de descongelación se establece en una constante de 0ºC ±0.001ºC. En la práctica, el único requisito, para realizar este tipo de compensación, es la utilización de un recipiente Dewar con hielo consiguiendo una precisión considerable.

No obstante, este sistema exige una atención constante ya que requiere una reposición frecuente cuando su uso es prolongado. Evidentemente el sistema no es apropiado para uso industrial. Las posibilidades de error implican una variación de varios grados en la medida, que ocurre cuando se derrite tal cantidad de hielo que las uniones de referencia quedan sumergidas únicamente en agua con el hielo flotando en la superficie. También hay que tener en cuenta que si el hielo utilizado ha estado en el congelador, estará a una temperatura por debajo de 0ºC.

En la actualidad existen alternativas más versátiles para su utilización en entornos industriales, diseñadas para ofrecer una temperatura de referencia de 0ºC. Uno de estos métodos consiste en introducir la unión de referencia en una zona que incluye un control de temperatura automático para mantener constantemente las uniones en el punto de congelación utilizando equipos semiconductores termoeléctricos de enfriamiento (Peltier), consiguiendo que los errores de temperatura estén por debajo de 0.1ºC. La utilización del punto de congelación como referencia, o su equivalente (independientemente del método), es preferible a las demás alternativas, no sólo debido a la precisión y estabilidad, sino porque las tablas de referencia para termopares están basadas en una temperatura de referencia de 0ºC.

Otro sistema ampliamente extendido para la medida mediante termopares es el llamado circuito de compensación de la unión fría, que integra cerca de los bornes de conexión dispositivos electrónicos para la compensación. Está basado en circuitos sensibles que detectan la temperatura de la unión de referencia y desarrolla una tensión equivalente a ésta ajustando el valor de lectura. La precisión de este método suele ser de unos pocos grados, aunque actualmente se ha mejorado sustancialmente. Muchos de los instrumentos diseñados para trabajar con termopares incluyen terminales para su conexión directa o mediante cable de extensión. Normalmente estos aparatos, como pueden ser termómetros electrónicos, controladores e indicadores de temperatura, módulos de adquisición de datos...etc, incorporan un circuito equivalente para generar el voltaje de referencia del punto de congelación (como se describe arriba).

Para determinar la temperatura en el punto de conexión, habitualmente se utiliza una termorresistencia (ver capítulo 2, sección 6), termistor o transistor, consiguiendo una tensión de referencia adecuada. Es muy importante tener en consideración la ubicación física del elemento que va a medir la temperatura de referencia, porque de él dependen directamente la precisión y la estabilidad de la lectura del termopar. Existen dos formas de corrección utilizando este tipo de compensación: una física, que consiste en añadir eléctricamente a la señal generada por el termopar otra equivalente a la temperatura medida en la unión de referencia, esta forma de corrección es típica en la instrumentación analógica; y otra lógica, que manipula matemáticamente los valores obtenidos por el termopar para realizar la corrección, habitual en los equipos digitales.

Para sistemas donde el número de entradas es elevado, tales como racks o armarios de medida, el bloque de conexiones correspondientes a la unión de referencia puede estar acondicionado para mantener la temperatura constante bajo una temperatura de 0ºC o bien mediante un bloque isotérmico que mantenga la temperatura estable. Con el último método, la corrección del valor de compensación en el bloque isotérmico se puede realizar tanto de manera eléctrica como numérica, consiguiendo en ambos casos unos resultados bastante satisfactorios. También existen módulos destinados a alojar la unión de referencia diseñados especialmente para funcionar en entornos de temperaturas elevadas. Siempre que se conozca la temperatura de la unión de referencia, se puede hallar el valor de la unión de medida sumando un factor de corrección según las tablas estándar del termopar del que se trate.

Clases de Material Termopares

La mayoría de los materiales conductores pueden producir una salida termoeléctrica. No obstante, hay que tener en consideración diferentes aspectos, como el rango de temperatura soportado, la señal de salida, la linealidad y repetibilidad (capacidad de obtener el mismo valor cuando se realizan varios muestreos en las mismas condiciones). La selección de material, por parte de los fabricantes, los principales laboratorios de calibración, de calidad y las instituciones científicas, ha supuesto un trabajo considerable a lo largo de varias décadas. En la actualidad el rango de temperatura de metales y aleaciones útiles va desde -270ºC a 2.600ºC, tanto para cables como para sensores completos.

Naturalmente, estos aspectos no se pueden cubrir por completo con un solo termopar. Existen designaciones tipo, reconocidos internacionalmente, cada uno atendiendo a una característica especial. La normativa británica BS EN 60584.1 (anteriormente BS 4937) y la normativa internacional IEC 60584 hacen referencia a los termopares normalizados, estos se designan mediante una letra, sistema propuesto originalmente por la Sociedad de Instrumentación de América (ver capítulo 1, sección 3).

En general, se dividen en dos categorías principales: los de metal precioso (típicamente platino/rodio-platino) y los de metal común (como el cromo-níquel/aluminio-níquel o hierro/níquel-cobre). Los termopares con base de platino tienden a ser los más estables, pero también son los más costosos, su rango de temperatura abarca desde la ambiente hasta alrededor de unos 2000ºC, y para su utilización en periodos cortos de tiempo se amplia hasta unos 3000ºC. El rango para los de metal común es más restringido, normalmente hasta 1200ºC, aunque de nuevo puede ser más amplio si la exposición no es muy prolongada. No obstante, el nivel de la señal de salida (f.e.m.) para los de metal precioso es menor en comparación con las de metal común.

Dentro de los termopares fabricados a partir de metales comunes, el más utilizado es el tipo K, que se caracteriza por una cierta inestabilidad termoeléctrica (aunque los tipos E, J y T también se ven afectados). Esta inestabilidad se manifiesta a veces con el paso del tiempo o a determinadas temperaturas. Por esta razón se ha incrementado el interés en el uso del termopar tipo N (Nicrosil/Nisil), manteniendo las buenas características de los termopares de metal precioso pero a un precio muy inferior, aunque con un rango de temperatura inferior a estos.

TOLERANCIAS DE LOS TERMOPARES

En la práctica, los procesos de fabricación no permiten la producción de termopares de forma que cumplan exactamente las tablas de referencia. Por lo tanto, las normas IEC 60584.1 indican valores de tolerancia normalizados, tanto para los de metal precioso como para los de metal común. Los fabricantes suministran los sensores según esta norma, donde las f.e.m. generadas por los termopares están dentro de los rangos establecidos (ver tabla 3.3). Los termopares que no aparecen en estas normativas se suelen suministrar con tablas de lote generadas por el fabricante.