Qué es un termopar : Principio de funcionamiento y sus aplicaciones

En el año 1821, un físico llamado "Thomas Seebeck" reveló que cuando dos alambres metálicos diferentes estaban unidos en ambos extremos de una unión en un circuito, cuando la temperatura se aplica a la unión, habrá un flujo de corriente a través del circuito que se conoce como campo electromagnético (EMF). La energía que produce el circuito se denomina efecto Seebeck. Utilizando el efecto de Thomas Seebeck como directriz, los físicos italianos Leopoldo Nobili y Macedonio Melloni colaboraron para diseñar una pila termoeléctrica en el año 1826, que se llama multiplicador térmico, que se basó en el descubrimiento de la termoelectricidad de Seebeck al fusionar un galvanómetro y una termopila para calcular la radiación. Por su esfuerzo, algunas personas identificaron a Nobili como el descubridor del termopar.

¿Qué es un termopar?

El termopar puede definirse como un tipo de sensor de temperatura que se utiliza para medir la temperatura en un punto concreto en forma de EMF o corriente eléctrica. Este sensor está formado por dos hilos metálicos distintos que se conectan entre sí en una unión. La temperatura puede medirse en esta unión, y el cambio de temperatura del hilo metálico estimula las tensiones.

La cantidad de F.E.M. generada en el dispositivo es muy diminuta (milivoltios), por lo que deben utilizarse dispositivos muy sensibles para calcular la f.e.m. producida en el circuito. Los dispositivos habituales utilizados para calcular la f.e.m. son el potenciómetro de equilibrado de tensión y el galvanómetro ordinario. De estos dos, se utiliza un potenciómetro de equilibrado físico o mecánico.

Principio de funcionamiento del termopar

El principio del termopar depende principalmente de los tres efectos: Seebeck, Peltier y Thompson.

Ver efecto beck

Este tipo de efecto se produce entre dos metales distintos. Cuando el calor se ofrece a uno de los alambres metálicos, el flujo de electrones pasa del alambre metálico caliente al frío. Por tanto, la corriente continua estimula el circuito.

Efecto Peltier

El efecto Peltier es opuesto al efecto Seebeck. Este efecto establece que la diferencia de temperatura puede formarse entre dos conductores cualesquiera que sean disímiles aplicando la variación de potencial entre ellos.

Efecto Thompson

Este efecto afirma que cuando dos metales dispares se fijan entre sí & si forman dos uniones, la tensión induce la longitud total del conductor debido al gradiente de temperatura. Es una palabra física que demuestra el cambio de velocidad y dirección de la temperatura en una posición exacta.

Construcción del termopar

A continuación se muestra la construcción del dispositivo. Consta de dos hilos metálicos diferentes que se conectan entre sí en el extremo de unión. La unión se considera el extremo de medición. El extremo de la unión se clasifica en tres tipos: sin conexión a tierra, con conexión a tierra y con unión expuesta.

Unión sin conexión a tierra

En este tipo de unión, los conductores están totalmente separados de la cubierta protectora. Las aplicaciones de esta unión incluyen principalmente trabajos de aplicación de alta presión. La principal ventaja de utilizar esta función es la disminución del efecto de campo magnético parásito.

Empalme a tierra

En este tipo de unión, los cables metálicos, así como la cubierta de protección, están conectados entre sí. La unión se utiliza para medir la temperatura en la atmósfera ácida, y proporciona resistencia al ruido.

Unión expuesta

La unión expuesta es aplicable en las zonas donde se requiere una respuesta rápida. Este tipo de unión se utiliza para medir la temperatura del gas. El metal utilizado para fabricar el sensor de temperatura depende básicamente del rango de cálculo de la temperatura.

Generalmente, un termopar se diseña con dos alambres metálicos diferentes, a saber, hierro y constantano, que hacen de elemento detector al conectarse en una unión que se denomina unión caliente. Este consiste en dos uniones, una unión está conectada por un voltímetro o transmisor donde la unión fría y la segunda unión está asociada en un proceso que se llama unión caliente.

¿Cómo funciona un termopar?

El diagrama del termopar se muestra en la siguiente imagen. Este circuito se puede construir con dos metales diferentes, y se acoplan entre sí generando dos uniones. Los dos metales están rodeados por la conexión mediante soldadura.

En el diagrama anterior, las uniones se indican con P y Q, y las temperaturas se indican con T1 y T2. Cuando la temperatura de la unión es distinta de la del otro, se genera una fuerza electromagnética en el circuito.

Si la temperatura en el extremo de la unión se convierte en equivalente, entonces el equivalente, así como la fuerza electromagnética inversa, se produce en el circuito, y no hay flujo de corriente a través de él. Del mismo modo, la temperatura en el extremo de la unión se convierte en equivalente, entonces la variación de potencial induce en este circuito.

La magnitud de la fuerza electromagnética inducida en el circuito depende del tipo de material utilizado para la fabricación del termopar. Los instrumentos de medición calculan todo el flujo de corriente a lo largo del circuito.

La fuerza electromagnética inducida en el circuito se calcula mediante la siguiente ecuación

E = a (∆Ө) + b (∆Ө)2

Donde ∆Ө es la diferencia de temperatura entre el extremo de unión del termopar caliente y el extremo de unión del termopar de referencia, a y b son constantes

Tipos de termopares

Antes de entrar en la discusión de los tipos de termopar, hay que tener en cuenta que el termopar debe estar protegido en una caja protectora para aislarlo de las temperaturas atmosféricas. Esta cubierta minimizará significativamente el impacto de la corrosión en el dispositivo.

Así pues, hay muchos tipos de termopares. Veámoslos en detalle.

Tipo K - También se denomina termopar de níquel-cromo/níquel-aluminio. Es el tipo más utilizado. Tiene las características de mayor fiabilidad, precisión y bajo coste, y puede funcionar en rangos de temperatura amplios.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -454F a 2300F (-270⁰C a 1260⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo K tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 2,2C o +/-0,75% y los límites especiales son +/- 1,1C o 0,4%

Tipo J - Es una mezcla de Hierro/Constantan. También es el tipo de termopar más utilizado. Tiene las características de mayor fiabilidad, precisión y bajo coste. Este dispositivo sólo puede funcionar para rangos de temperatura menores y tiene una vida útil corta cuando funciona a un rango de temperaturas elevado.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -346F a 1400F (-210⁰C a 760⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo J tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 2,2C o +/-0,75% y los límites especiales son +/- 1,1C o 0,4%

Tipo T - Es una mezcla de Cobre/Constantan. El termopar de tipo T tiene una mayor estabilidad y se suele utilizar para aplicaciones de menor temperatura, como congeladores de temperatura ultrabaja y criogenia.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -454F a 700F (-270⁰C a 370⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 1,0C o +/-0,75% y los límites especiales son +/- 0,5C o 0,4%

Tipo E - Es una mezcla de Níquel-Cromo/Constantan. Tiene una mayor capacidad de señal y una mayor precisión en comparación con la de los termopares de tipo K y J cuando funciona a ≤ 1000F.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -454F a 1600F (-270⁰C a 870⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 1,7C o +/-0,5% y los límites especiales son +/- 1,0C o 0,4%

Tipo N - Se considera como termopar Nicrosil o Nisil. Los niveles de temperatura y precisión del tipo N son similares a los del tipo K. Pero este tipo es más caro que el tipo K.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -454F a 2300F (-270⁰C a 392⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 2,2C o +/-0,75% y los límites especiales son +/- 1,1C o 0,4%

Tipo S - Se considera un termopar de platino/rodio o de 10%/platino. El termopar de tipo S está muy implementado en aplicaciones de alto rango de temperatura, como en organizaciones de biotecnología y farmacia. Incluso se utiliza para aplicaciones de menor rango de temperatura debido a su mayor precisión y estabilidad.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -58F a 2700F (-50⁰C a 1480⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 1,5C o +/-0,25% y los límites especiales son +/- 0,6C o 0,1%

Tipo R - Se considera un termopar de platino/rodio o de 13%/platino. El tipo S de termopar está muy implementado para aplicaciones de alto rango de temperatura. Este tipo se incluye con una mayor cantidad de rodio que el tipo S, lo que hace que el dispositivo sea más costoso. Las características y el rendimiento del tipo R y S son casi similares. Se utiliza incluso para aplicaciones de menor rango de temperatura debido a su mayor precisión y estabilidad.

Los rangos de temperatura son:

Alambre de grado de termopar -58F a 2700F (-50⁰C a 1480⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 200⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 1,5C o +/-0,25% y los límites especiales son +/- 0,6C o 0,1%

Tipo B - Se considera un termopar de 30% de platino-rodio o 60% de platino-rodio. Se utiliza ampliamente en las aplicaciones de mayor rango de temperatura. De todos los tipos mencionados, el tipo B tiene el límite de temperatura más alto. A mayores niveles de temperatura, el termopar de tipo B mantendrá una mayor estabilidad y precisión.

Los rangos de temperatura son:

Cable de grado termopar - 32F a 3100F (0⁰C a 1700⁰C)

Cable de extensión (0⁰C a 100⁰C)

Este tipo T tiene un nivel de precisión de

Estándar +/- 0,5%

Los tipos S, R y B se consideran termopares de metales nobles. Se eligen porque pueden funcionar incluso en rangos de alta temperatura, proporcionando una gran precisión y una larga vida útil. Pero, en comparación con los tipos de metales nobles, son más caros.

Al elegir un termopar, hay que tener en cuenta muchos factores que se adaptan a sus aplicaciones.

• Comprueba cuáles son los rangos de temperatura baja y alta necesarios para tu aplicación
• ¿Qué presupuesto del termopar se va a utilizar?
• ¿Qué porcentaje de precisión hay que utilizar?
• ¿En qué condiciones atmosféricas funciona el termopar, por ejemplo, en condiciones gaseosas inertes u oxidantes?
• ¿Cuál es el nivel de respuesta que se espera, es decir, con qué rapidez debe responder el dispositivo a los cambios de temperatura?
• ¿Cuál es el periodo de vida útil que se requiere?
• ¿Comprueba antes de la operación que el aparato está sumergido en el agua o no y a qué nivel de profundidad?
• ¿La utilización del termopar será intermitente o continua?
• ¿Se someterá el termopar a torsiones o flexiones durante toda la vida útil del dispositivo?

¿Cómo saber si tienes un termopar defectuoso?

Para saber si un termopar funciona perfectamente, hay que realizar una prueba del dispositivo. Antes de proceder a la sustitución del dispositivo, hay que comprobar si realmente funciona o no. Para ello, basta con un multímetro y conocimientos básicos de electrónica. Existen principalmente tres métodos para comprobar el termopar con un multímetro, que se explican a continuación:

Prueba de resistencia

Para realizar esta prueba, hay que colocar el aparato en la línea de un aparato de gas y el equipo necesario es un multímetro digital y pinzas de cocodrilo.

Procedimiento - Conecta las pinzas de cocodrilo a las secciones del multímetro. Fija las pinzas en ambos extremos del termopar, donde uno de los extremos se doblará en la válvula de gas. Ahora, enciende el multímetro y anota las opciones de lectura. Si el multímetro muestra ohmios en pequeño, entonces el termopar está en perfecto estado de funcionamiento. O bien, si la lectura es de 40 ohmios o más, entonces no está en buenas condiciones.

Prueba de circuito abierto

En este caso, el equipo utilizado es una pinza de cocodrilo, un mechero y un multímetro digital. Aquí, en lugar de medir la resistencia, se calcula la tensión. Ahora, con el mechero calienta un extremo del termopar. Cuando el multímetro muestre una tensión del orden de 25-30 mV, entonces está funcionando correctamente. O bien, cuando la tensión se acerca a los 20 mV, entonces hay que sustituir el aparato.

Prueba de circuito cerrado

Aquí, el equipo utilizado es pinzas de cocodrilo, adaptador de termopar y multímetro digital. Aquí, el adaptador se coloca dentro de la válvula de gas y luego se coloca el termopar a un borde del adaptador. Ahora, enciende el multímetro. Cuando la lectura esté en el rango de 12-15 mV, el dispositivo está en condiciones adecuadas. O bien, cuando la lectura de la tensión cae por debajo de 12 mV, indica que el dispositivo está defectuoso.

Así pues, utilizando los métodos de comprobación anteriores, se puede averiguar si un termopar funciona correctamente o no.

¿Cuál es la diferencia entre termostato y termopar?

Las diferencias entre termostato y termopar son:

Característica	Termopar	Termostato
Rango de temperatura	-454 a 32720F	-112 a 3020F
Rango de precios	Menos	Alta
Estabilidad	Proporciona menos estabilidad	Proporciona una estabilidad media
Sensibilidad	El termopar tiene menos sensibilidad	El termostato ofrece la mejor estabilidad
Linealidad	Moderado	Pobre
Coste del sistema	Alta	Medio

Ventajas y desventajas

Las ventajas de los termopares son las siguientes

• La precisión es alta
• Es robusto y se puede utilizar en entornos como los más duros y con altas vibraciones.
• La reacción térmica es rápida
• El rango de funcionamiento de la temperatura es amplio.
• Amplio rango de temperatura de funcionamiento
• El coste es bajo y extremadamente consistente

Las desventajas de los termopares son las siguientes

• No linealidad
• Estabilidad mínima
• Baja tensión
• Se requiere una referencia
• sensibilidad mínima
• La recalibración del termopar es difícil

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones de los termopares incluyen las siguientes.

• Se utilizan como sensores de temperatura en los termostatos de oficinas, hogares, despachos y empresas.
• Se utilizan en las industrias para controlar las temperaturas de los metales en hierro, aluminio y metal.
• Se utilizan en la industria alimentaria para aplicaciones criogénicas y de baja temperatura. Los termopares se utilizan como bombas de calor para realizar la refrigeración termoeléctrica.
• Se utilizan para comprobar la temperatura en plantas químicas y petrolíferas.
• Se utilizan en las máquinas de gas para detectar la llama piloto.

¿Cuál es la diferencia entre RTD y termopar?

La otra cosa más importante que hay que tener en cuenta en el caso del termopar es en qué se diferencia del dispositivo RTD. Por ello, la tabla explica las diferencias entre el RTD y el termopar.

RTD	Termopar
El RTD es muy adecuado para medir un rango menor de temperatura que se encuentra entre (-2000C a 5000C)	El termopar es adecuado para medir un rango superior de temperatura que está entre (-1800C a 23200C)
Para un rango mínimo de conmutaciones, presenta una mayor estabilidad	Tienen una estabilidad mínima y además los resultados no son precisos cuando se prueban varias veces
Tiene más precisión que un termopar	El termopar tiene menos precisión
El rango de sensibilidad es mayor y puede calcular incluso cambios mínimos de temperatura	El rango de sensibilidad es menor y estos no pueden calcular cambios mínimos de temperatura
Los dispositivos RTD tienen un buen tiempo de respuesta	Los termopares proporcionan una respuesta más rápida que la de los RTD
La salida es de forma lineal	La salida tiene una forma no lineal
Son más caros que el termopar	Son más económicos que los RTD

¿Cuál es la vida útil?

El vida útil del termopar se basa en la aplicación cuando se utiliza. Por tanto, no se puede predecir específicamente el periodo de vida del termopar. Si el dispositivo se mantiene correctamente, tendrá una larga vida útil. En cambio, tras un uso continuado, pueden dañarse por el efecto del envejecimiento.

Y además, debido a esto, el rendimiento de la salida se reducirá y las señales tendrán una eficiencia pobre. El precio del termopar tampoco es elevado. Por tanto, se sugiere más bien modificar el termopar cada 2-3 años. Esta es la respuesta a ¿cuál es la vida útil de un termopar??

Así pues, todo esto es una visión general del termopar. De la información anterior, finalmente, podemos concluir que la medición de salida del termopar se puede calcular utilizando métodos como un multímetro, un potenciómetro y un amplificador por dispositivos de salida. El objetivo principal del termopar es realizar mediciones de temperatura consistentes y directas en varias aplicaciones diferentes.