Termopares - Conceptos básicos

Contenido

1. Principio básico del termopar
2. Calibración y no linealidad
3. Compensación de la unión fría
4. Tipos de materiales de termopar
5. Resumen

Principio básico del termopar

Cuando existe un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor, los electrones fluyen, generando una tensión (FEM). Este fenómeno —descubierto por Thomas Seebeck en 1822— es la base del funcionamiento de los termopares. La magnitud y la dirección de la FEM dependen tanto del gradiente de temperatura como de las propiedades del material.

Sin embargo, un único conductor homogéneo no produce una tensión medible en un circuito cerrado porque las FEM internas se cancelan. Para generar una señal utilizable, se unen dos conductores disímiles (materiales A y B), formando un termopar. Al estar expuestos a un gradiente de temperatura (Figura 2.1), estos materiales responden de manera diferente, creando una FEM neta (Figura 2.2).

i Punto clave: La FEM se genera no en la propia unión, sino a lo largo del conductor donde existe el gradiente de temperatura. Por lo tanto:

• Los conductores deben ser química y físicamente uniformes donde se producen los gradientes.
• Las uniones deben estar en zonas isotérmicas (de temperatura constante) para evitar FEM no deseadas.

Mientras los conductores sean homogéneos, la FEM generada entre las temperaturas T1 y T2 será la misma, independientemente de cómo se distribuya el gradiente (véase de nuevo la Figura 2.2). La salida del termopar está determinada únicamente por las temperaturas en:

• M: la unión de medición
• R: la unión de referencia (donde los conductores disímiles se conectan al cobre)

La unión de referencia debe mantenerse a una temperatura conocida y estable; por eso los termopares son sensores de temperatura diferenciales, no absolutos.

Calibración y no linealidad

Los termopares no producen una salida lineal de tensión respecto a temperatura. La relación varía según los rangos de temperatura y los materiales. Por eso las tablas de calibración son esenciales: vinculan la tensión del termopar con las temperaturas correspondientes.

La Figura 2.3 muestra cómo varían los coeficientes de Seebeck (sensibilidad de tensión) para distintos tipos de termopar. Para lecturas de temperatura precisas, las tensiones del termopar deben interpretarse utilizando estas curvas de calibración o convertirse mediante interpolación y electrónica de procesamiento de señal.

Compensación de la unión fría

Las tablas de calibración suponen que la unión de referencia está a 0 °C. Pero en condiciones reales, esto no siempre es posible. Así que usamos la compensación de la unión fría.

Tradicionalmente, las uniones de referencia podían colocarse en hielo en fusión o en bloques con control de temperatura. Hoy en día, la compensación se realiza electrónicamente, típicamente con un termistor o sensor similar ubicado cerca de la unión de referencia. Este dispositivo detecta la temperatura real y corrige automáticamente la lectura del termopar.

i La electrónica de linealización y compensación es ahora estándar en la mayoría de los sistemas industriales, garantizando precisión a lo largo de un amplio rango de temperatura y corrigiendo la no linealidad.

Tipos de materiales de termopar

Aunque muchos conductores presentan efectos termoeléctricos, solo unos pocos son adecuados para la medición práctica de temperatura. Las consideraciones clave incluyen:

• Nivel de señal
• Linealidad
• Estabilidad en el tiempo y con la temperatura
• Repetibilidad

A lo largo de décadas, combinaciones específicas de metales y aleaciones se han normalizado en tipos reconocidos internacionalmente (p. ej., tipos K, J, T, E, N, R, S y B), definidos por normas como BS EN 60584-1 e IEC 60584.

Los termopares se agrupan, en términos generales, en:

• Tipos de metal base (p. ej., K, J, T): Más económicos, con salidas de señal más altas. Rango típico: 0–1.200 °C.
• Tipos de metales nobles/raros (p. ej., R, S, B): Más estables y precisos, pero más costosos. Rango típico: desde ambiente hasta 2.000 °C o más.

⚠️ Nota sobre el tipo K: Aunque se usa ampliamente, el tipo K puede mostrar inestabilidad a altas temperaturas o durante largos periodos. El tipo N (Nicrosil/Nisil) se desarrolló como alternativa, ofreciendo mayor estabilidad y un rango de temperatura ampliado, manteniendo al mismo tiempo la asequibilidad de los metales base.

Resumen

Los termopares funcionan generando una fuerza electromotriz (FEM) en respuesta a un gradiente de temperatura, siendo la tensión de salida dependiente del gradiente y de los materiales utilizados. Este efecto, descubierto por Seebeck en 1822, es la base de los sensores de termopar, que requieren dos materiales disímiles para generar una tensión utilizable. La salida está influida por la temperatura de las uniones de medición y de referencia, manteniéndose la unión de referencia típicamente a una temperatura constante. Se necesitan tablas de calibración para mediciones precisas de temperatura debido a la naturaleza no lineal de las salidas de tensión de los termopares. La compensación de la unión fría, a menudo realizada con electrónica o colocando la unión de referencia en un entorno controlado, corrige las variaciones de temperatura de la unión de referencia. Los materiales de los termopares se seleccionan en función de factores como el rango de temperatura, el nivel de señal y la repetibilidad; los tipos de metales raros ofrecen mejor estabilidad a mayor costo, mientras que los tipos de metales base son más baratos pero menos estables.

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